Echo velocimetría por imágenes de partículas

Summary

Una partícula eco velocimetría de imagen (EPIV) capaz de adquirir bidimensionales campos de velocidad en los líquidos ópticamente opacas oa través de geometrías ópticamente opacos se describe, y mediciones de validación en el flujo de tubo se informó.

Abstract

El transporte de masa, cantidad de movimiento y la energía de las corrientes de fluidos está determinada en última instancia por las distribuciones espacio-temporales del campo de velocidad del fluido. ^{1 Por} consiguiente, un requisito previo para la comprensión, predicción y control de los flujos de fluidos es la capacidad de medir el campo de velocidades con suficiente espacio y resolución temporal. ² Para las mediciones de velocidad en fluidos ópticamente opacos o a través de geometrías ópticamente opacas, el eco de la velocimetría de imágenes de partículas (EPIV) es una técnica atractiva de diagnóstico para generar "instantáneas" de dos dimensiones de los campos de velocidad. ^3,4,5,6 En este documento, el protocolo de funcionamiento de un sistema de EPIV construido mediante la integración de una máquina de ultrasonido médico comercial ⁷ con un PC con velocimetría de imagen de partículas comercial (PIV) se describe el software ^8, y mediciones de validación de Hagen-Poiseuille (es decir, laminar tubo) flujo se reportan .

Para la medida de EPIVtos, una sonda de red en fase conectado a la máquina de ecografía médica se utiliza para generar una imagen de ultrasonido de dos dimensiones mediante la pulsación de los elementos de sonda piezoeléctricos en momentos diferentes. Cada elemento de la sonda transmite un pulso de ultrasonido en el líquido, y las partículas de trazador en el fluido (ya sea de origen natural o cabeza de serie) reflejan ecos de ultrasonido de nuevo a la sonda en el que se registran. La amplitud de las ondas de ultrasonido reflejadas y su retardo de tiempo relativo a la transmisión se utilizan para crear lo que se conoce como modo B (modo de brillo) de dos dimensiones imágenes de ultrasonido. Específicamente, el retardo de tiempo se utiliza para determinar la posición del dispersor en el fluido y la amplitud se utiliza para asignar a la intensidad del dispersor. El tiempo requerido para obtener una sola imagen en modo B, t, se determina por el tiempo que se tome para pulsar todos los elementos de la sonda de red en fase. Para la adquisición de múltiples imágenes en modo B, la velocidad de fotogramas del sistema en fotogramas por segundo (fps) = 1 / y delta, t. (Véase el 9 para una revisión de la ecografía.)

Para un típico experimento EPIV, la velocidad de fotograma es entre 20-60 fps, dependiendo de las condiciones de flujo y 100-1000 del modo B de imágenes de la distribución espacial de las partículas trazadoras en el flujo son adquiridos. Una vez adquirido, las imágenes de ultrasonido modo B se transmite a través de una conexión Ethernet a la PC que ejecuta el software PIV comercial. Usando el software de PIV, los campos de desplazamiento de partículas trazadoras, D (x, y) [píxeles], (donde x e y denotan la posición espacial horizontal y vertical en la imagen de ultrasonidos, respectivamente) son adquiridos por la aplicación de algoritmos de correlación cruzada a ultrasonidos sucesivas B- Imágenes del modo. ¹⁰ Los campos de velocidad, u (x, y) [m / s], se determinan a partir de los campos de desplazamientos, sabiendo que el intervalo de tiempo entre pares de imágenes, DT [s], y la ampliación de imagen, M [metros / pixel ], es decir, u (x, y) = MD (x, y) / DT. B El paso de tiempontre imágenes T = 1/fps + D (x, y) / B, donde B [píxeles / s] es el tiempo que toma para la sonda de ultrasonido para barrer a través de la anchura de la imagen. En el presente estudio, M = 77 [m / píxel], fps = 49,5 [1 / s] y B = 25.047 [píxeles / s]. Una vez adquiridos, los campos de velocidad pueden ser analizados para calcular las cantidades de flujo de interés.

Protocol

1. Crear un flujo mensurable

1. EPIV mediciones de validación se demostró en el flujo de tuberías de una solución de agua de glicerina (50% de glicerina - agua 50%). Un diagrama esquemático de la configuración experimental se muestra en la figura 1.
2. Esferas huecas de vidrio con un diámetro nominal de 10 micras se añaden al fluido a una concentración de aproximadamente 17 partes en peso por millón. Las esferas de vidrio huecas sirven como agentes de contraste de ultrasonidos, y su tamaño y densidad se eligen de manera que siga pasivamente el flujo de fluido. ¹⁰
3. Un voltaje fijo se suministra a la bomba para introducir un caudal conocido. La velocidad de flujo se elige de modo que U << Dx / dt, donde U es la velocidad media en la tubería, Dx es la longitud lineal del volumen EPIV medición, y t es el intervalo de tiempo entre las imágenes, es decir, el flujo necesita ser "lento" en comparación con los fps del ultrasonido sytallo. ³

2. Calibrar el ultrasonido

1. Monte la sonda de ultrasonido en la pared exterior de la tubería. Un gel a base de agua tópica se aplica a la sonda de ultrasonidos para minimizar la pérdida de transmisión del haz de ultrasonidos entre la cara de la sonda y la pared de la tubería.
2. Encienda la máquina de ultrasonido. Una transmisión en vivo de imágenes de ultrasonido se inicia automáticamente una vez que toda la carga del sistema.
3. Ajuste la profundidad de la imagen con el botón de control de profundidad en el panel de control de la máquina de ultrasonido.
4. Ajuste la ganancia total de la imagen con el mando GAIN 2D en el panel de control de la máquina de ultrasonido.
5. Ajuste el tiempo de compensación de ganancia (TGC) reguladores para atenuar la dispersión de las paredes de la tubería y para compensar la atenuación relativa a la profundidad de la señal de ultrasonido.
6. El ancho de la imagen, foco, frecuencia de funcionamiento de la sonda, y velocidad de fotogramas se ajusta con los botones de control asignables. Estoscuatro botones, situados en la parte superior izquierda del panel de control, varían de acuerdo con el modo en el que el sistema está funcionando. En el modo 2D (como actualmente se usa), de izquierda a derecha los mandos corresponden a la anchura, el enfoque, la frecuencia y velocidad de fotogramas, respectivamente. Tenga en cuenta que, debido a los principios fundamentales de imágenes de ultrasonido ^9, estos cuatro parámetros se inherentemente acoplado. Por consiguiente, para una ecografía imagen dada (es decir, un experimento EPIV) hay un compromiso entre la resolución espacial y temporal.
7. Véase la Figura 2 para una imagen de ultrasonidos representativa de flujo de tubo se siembra con 10 micras esferas de vidrio huecas. Tenga en cuenta que debido a la resolución lateral limitado, las esferas de vidrio son colocadas en la dirección lateral y aparecen como elipsoides en la imagen.

3. Recopilación de datos

1. Pulse el botón de nuevo examen en el panel de control de ultrasonido para iniciar un nuevo experimento.
2. Crea unanuevo "paciente" mediante la introducción de tuberías de flujo en el apellido y la fecha de hoy en el nombre y el número de identificación del paciente en el ensayo.
3. Después de la creación del "paciente", una ecografía comienza hasta el máximo preestablecido de 1000-1500 entre las imágenes se alcanza, después de que un lazo de exploración comenzará uno nuevo. Al pulsar el botón de congelación del panel de control de ultrasonido dos veces, se reiniciará el escaneo en cualquier momento antes de alcanzar el número máximo predeterminado de las imágenes.
4. Una vez que un buen conjunto de imágenes de ultrasonido se ha adquirido (es decir, nítidas imágenes de partículas de siembra y densidad suficiente semilla de partículas), presione el botón de congelación del panel de control de ultrasonido para detener la adquisición de imágenes.
5. Pulse el botón Cineloop en el panel de control ecográfico. Seleccione el conjunto de imágenes de ultrasonido para ser analizados usando el mando de Primer Ciclo en el panel de control de ultrasonido para seleccionar la primera imagen de la serie, y la perilla último ciclo para seleccionar elúltima imagen de la serie.
6. Pulse el botón de Image Store en el panel de control de ultrasonido para guardar el conjunto seleccionado de imágenes de ultrasonido.
7. Pulse el botón Archivar en el panel de control ecográfico y utilizar el cursor del ratón para seleccionar el examen final. Esto hará que el usuario seleccione las imágenes o cineloops para guardar en el disco duro local. Seleccione la cineloop (s) de interés y salga del examen.
8. Pulse el botón Archivar en el panel de control ecográfico y utilizar el cursor del ratón para seleccionar primero Más y luego seleccione Administración de discos. Gestión del disco transferirá el cineloop guardado (s) a la PC que ejecuta el software PIV.

4. Conversión de Extensión

1. Una imagen de ultrasonido se almacena como imágenes digitales de comunicaciones en medicina (DICOM) tipo de archivo en la máquina de ultrasonido. Con el fin de ser abierto y leído por el software de PIV, los archivos DICOM deben ser convertidos a archivos de imagen. Actualmente,una secuencia de comandos de Matlab DICOM2JPG.m funcionamiento se utiliza para convertir los archivos DICOM a articulación tipo Photographic Experts Group (JPEG).
2. Las imágenes de ultrasonido JPEG son analizados utilizando software de LaVision Davis.

5. Cálculo de campos de desplazamiento, D (x, y), Uso de Davis

1. Ratón, haga doble clic en el icono de Davis en el PC. Seleccione Nuevo proyecto. Seleccionar PIV.
2. Seleccione Importar imágenes en la barra de herramientas y seleccione Importar mediante archivos numerados. En el menú desplegable, busque la carpeta donde las imágenes de ultrasonido JPEG se almacenan, y haga doble clic en la primera imagen de la serie. Esto importará todas las imágenes de ultrasonido en esta serie numerada.
3. Típicamente una máscara de imagen se define para aislar la región de interés (ROI) en la imagen de ultrasonido para ser procesada. Para el flujo de tuberías, la máscara se usa para definir la ROI entre las paredes de la tubería (es decir, el líquido).
4. Vaya al panel de control principal en Davis, seleccione la pestaña situada en el Proyecto actual que contiene las imágenes importadas y seleccione la pestaña Procesamiento por lotes. Esto permite que la ventana de procesamiento vectorial de Davis para el procesamiento por lotes de las imágenes de ultrasonido importados.
5. En la lista de operaciones, utilizando el árbol de PIV-Time-Series, seleccionar los parámetros de cálculo de vectores, y elegir los parámetros a ser utilizados para el procesamiento de vectores. Si se usa una máscara, marque la casilla Rango de datos = utilizar el área enmascarada en el menú vector de parámetros de cálculo. Tenga en cuenta que la selección óptima de parámetros de cálculo de vectores depende de la geometría de flujo, propiedades de flujo, resolución de imagen, densidad de la partícula trazadora, y análisis cuantitativo de flujo deseado. ¹⁰
   Para las mediciones de tubería de flujo, los parámetros que típicamente han dado los mejores resultados son multipaso con un tamaño de interrogación decreciente de 32 x 32 píxeles de ² a 8 x8 pixel ^2, con un solapamiento del 50%. Restricción relativa gama de vectores se estableció ± todos (tamaño de la ventana / 2) y restricción absoluta gama de vectores se fijó a ± 5 píxeles. Por último, un 3 x ² 3pixel filtro de mediana fue utilizada para suprimir el ruido y suavizar los campos de vectores.
6. A la izquierda de la pantalla de procesamiento por lotes, seleccione la cantidad total de imágenes a procesar y seleccione el procesamiento inicial. Esto calcular el campo de desplazamiento, D (x, y), entre imágenes de ultrasonido sucesivas utilizando algoritmos de correlación cruzada.

6. Análisis de Vector Fields

1. Para el análisis post-procesamiento y de datos, los campos vectoriales EPIV se exportan de Davis. Txt. Esto se consigue mediante la selección de la rama del vector de desplazamiento debajo de la rama imagen JPEG en la pantalla del proyecto. En la barra de herramientas, seleccione la ficha Exportar, seleccione el tipo de archivo ASCII. Txt, elegir / crear una carpeta de exportación, unad seleccione Exportar.
2. Los campos vectoriales exportados se nombran Bxxxxx.txt, donde xxxxx 00001 ≤ ≤ 99999, con tampón B que denota. Cada archivo contiene cuatro columnas de datos: (1) x-localización del vector en la imagen, (2) y-la ubicación del vector en la imagen, (3) componente x de desplazamiento (es decir, el desplazamiento streamwise), (4) y-componente de desplazamiento (es decir, de pared normal de desplazamiento). Los archivos Bxxxxx.txt se abren y se procesan en MATLAB para calcular primero el campo de velocidad, al conocer el paso de tiempo entre pares de imágenes, DT [s], y la ampliación de la imagen, M [metros / pixel], es decir, u (x, y ) = MD (x, y) / Dt,. El paso de tiempo entre las imágenes T = 1/fps + D (x, y) / B, donde B [píxeles / s] es el tiempo que toma para la sonda de ultrasonido para barrer a través de la anchura de la imagen. En el presente estudio, M = 77 [m / píxel], fps = 49,5 [1 / s] y B = 25.047 [píxeles / s]. ENSEM Siguiente,bles promedio campos de vectores de velocidad, de pared normales perfiles de velocidad media, entre otras cantidades de los flujos de intereses se computan. (Ver sección de resultados representativos.)

Representative Results

Una partícula instantánea eco velocimetría de imagen (EPIV) campo vectorial se muestra en la Figura 3. El diagrama vectorial muestra vectores de velocidad de cada cuarta columna, y el color de fondo mapa de contorno corresponde a la magnitud de la velocidad. Una media de conjunto trama vector promedio durante 1000 parcelas instantáneo del vector EPIV se muestra en la Figura 4. De acuerdo con el flujo de tuberías, los vectores de velocidad están principalmente en la dirección streamwise, las mayores velocidades se producen en la línea central del tubo, y las velocidades de disminuir a cero en las paredes de la tubería. La raíz cuadrada media (rms) fluctuación magnitud de la velocidad se muestra en la Figura 5. Puesto que en el flujo de Hagen-Poiseuille, las velocidades rms debe ser idénticamente cero, las velocidades distintas de cero rms proporcionar una medida del ruido en las mediciones EPIV. Los altos valores rms cerca de los resultados de pared superior de la fuerte reflexión y la refracción del haz de ultrasonidos a partir de la pared del tubo que producen la imagen de alta intensities en esta región (véase la Figura 2). Estas intensidades altas cerca de las intensidades de las partículas paredes oscuras que conducen a errores de medición. El perfil de pared normal de la velocidad media streamwise calcula el promedio de la trama vector conjunto promediada a lo largo de las filas (dirección horizontal) se representa gráficamente en la Figura 6. La línea de color negro sólido es el esperado perfil medio streamwise velocidad de Hagen-Poiseuille (laminar tubos) de flujo para las condiciones experimentales. El acuerdo entre las mediciones EPIV y el perfil esperado de Hagen-Poiseuille es lo mejor, cerca de la línea central del tubo y lo peor cerca de las paredes de la tubería, con las mayores desviaciones se producen cerca de la pared superior. Actualmente estamos trabajando en métodos para reducir la reflexión y la refracción de ultrasonido en la pared del tubo y para mejorar las mediciones cerca de paredes EPIV.

Figura 1. esquemático de la configuración experimental. Una bomba de acuario impulsa el fluido (sembró con 10 micras microesferas de vidrio) en un sistema de circuito cerrado de tuberías. La sonda de ultrasonido lineal se fija a la pared exterior de la tubería y transmite ondas de ultrasonido a través de la tubería y recibe ecos reflejados desde el 10 micras microesferas de vidrio y las paredes de la tubería. La máquina de ultrasonido procesa las ondas de ultrasonido se reflejan para formar una ecografía en modo B de imagen. La ecografía en modo B se exportan las imágenes a un PC con el software comercial PIV.

Figura 2. Ultrasonido modo B Raw imagen del flujo de la tubería. La banda de alta intensidad de las líneas en la parte superior e inferior de la imagen corresponden a la pared de la tubería y las elipsoides interior a la pared corresponden a la 10 m microesferas de vidrio huecas.

Figura 3. Las parcelas de vector instantáneo mostrando flechas de vectores cada cuarta columna. El color de fondo mapa de contorno corresponde a la magnitud de la velocidad. D es el diámetro de la tubería, x es la posición streamwise medida desde el tubo de entrada, y d es la posición radial medida desde la pared superior.

Figura 4. Promedio Ensemble trama vector promedio de más de 1000 gráficos vectoriales instantáneos EPIV. El diagrama vectorial muestra vectores de velocidad de cada cuarta columna, y el color de fondo mapa de contorno corresponde a la magnitud de la velocidad. De acuerdo con el flujo de la tubería, el punto de velocidad de vectores en la directio streamwisen, las mayores velocidades se producen en la línea central del tubo, y las velocidades de disminuir a cero en las paredes de la tubería.

Figura 5. Gráfico de contorno de la raíz cuadrática media (rms) Velocidad de fluctuación calculado en 1000 parcelas de vectores instantáneos EPIV. En el flujo de Hagen-Poiseuille, las fluctuaciones de la velocidad rms proporcionan una medida de ruido en las mediciones EPIV.

Figura 6. La media medida experimental perfil de velocidad streamwise calcula a partir del campo de vector de conjunto de un promedio de EPIV muestra en la Figura 4. La línea de color negro sólido es la teoTeóricamente perfil esperado para un flujo de Hagen-Poiseuille con la misma velocidad de flujo volumétrico medido experimentalmente. La posición radial medido desde la línea central del tubo se denota por r, donde la pared superior corresponde a R / D = -0,5. Las diferencias entre el perfil experimental y el perfil previsto ilustran la dificultad de cerca de pared mediciones EPIV.

Discussion

El protocolo de funcionamiento de una partícula eco velocimetría de imagen (EPIV) sistema capaz de adquirir de dos dimensiones de los campos de velocidad en fluidos ópticamente opacos o a través de geometrías ópticamente opacos fue descrito. La aplicación práctica de EPIV es muy adecuado para el estudio de los sistemas de flujo industriales y biológicas, donde el flujo de fluidos opacos se produce en una aplicación de gran número. El sistema particular presentado aquí fue construido a propósito para estudiar las propiedades de flujo de los fluidos de biomasa licuados utilizados en la producción de etanol lignocelulósico. Las capacidades de EPIV se demostró utilizando mediciones representativas en el flujo de la tubería. En particular, la media y perfiles de rms de velocidad se calcula a partir de EPIV campos vectoriales, Hagen-Poiseuille (laminar) de flujo de tubería ha demostrado ser medibles y cuantificables. Las limitaciones de EPIV son las velocidades de cuadro inherentemente bajas (limitado por las capacidades de imagen del sistema de ultrasonido comercial) y baja resolución espacial, which limita el rango de velocidades y el comportamiento de flujo transitorio que se puede medir. Por último, si bien nos hemos esforzado por hacer que el artículo en sí misma, los manuales de usuario de la máquina de ultrasonido comercial ⁷ y el software PIV ⁸ debe ser consultado por la totalidad. El lector también se refiere a ⁹ y ¹⁰ para una revisión completa de los fundamentos de imágenes de ultrasonido y velocimetría de imagen 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