Echo Particle Image Velocimetry

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Protokoll

Ein. Erstellen Sie eine messbare Durchfluss

1. 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.
2. 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 so gewählt, dass sie passiv folgen den Flüssigkeitsstrom. ¹⁰
3. Eine feste Spannung wird an die Pumpe, um eine bekannte Flussrate einzuführen zugeführt. Die Fließgeschwindigkeit so gewählt wird, daß U << AX / At, wobei U die mittlere Geschwindigkeit im Rohr, AX die lineare Länge des EPIV Messvolumen ist, und t ist die Zeit zwischen Schritt Bilder, dh die Strömung sein brauchen "slow" im Vergleich zu den fps des Ultraschalls syStamm. ³

2. Kalibrieren Sie den Ultraschall

1. Montieren Sie die Ultraschallsonde nach außen Rohrwand. Eine wasserbasierte topischen Gel wird auf die Ultraschallsonde, die auf Verlust der Übertragung des Ultraschallstrahls zwischen der Sondenoberfläche und der Rohrwand zu minimieren.
2. Schalten Sie das Ultraschallgerät. Ein Live-Stream von Ultraschallbildern beginnt automatisch, sobald alle Systeme Last.
3. Stellen Sie die Bildtiefe mit dem Depth Control-Regler auf dem Bedienfeld des Ultraschallgerät.
4. Stellen Sie die gesamte Imagegewinn mit dem 2D-Gain-Regler auf dem Bedienfeld des Ultraschallgerät.
5. Stellen Sie die Zeit Gain Compensation (TGC) Schieberegler, um Streuung von den Rohrwandungen dämpfen und für die Tiefe verbundenen Dämpfung des Ultraschallsignals kompensieren.
6. Die Bildbreite, Fokus, Sonde Betriebsfrequenz und Bildrate eingestellt mit den zuweisbaren Reglern. Diesevier Noppen auf der Oberseite des Bedienfeld befindet sich links, je nach Modus, in dem das System läuft. Im 2D-Modus (wie er hierin verwendet wird), von links nach rechts die Noppen zu Breite, Fokus, Frequenz entsprechen, und die Bildfrequenz sind. Beachten Sie, dass aufgrund der grundlegenden Prinzipien der Ultraschall-Bildgebung ^9, diese vier Parameter inhärent gekoppelt sind. Folglich ist für einen gegebenen Ultraschallbilddaten Scan (dh ein EPIV Experiment) ein Kompromiss zwischen räumlicher und zeitlicher Auflösung.
7. Siehe Abbildung 2 für eine repräsentative Ultraschallbild Rohrströmung mit 10 um Glashohlkugeln ausgesät. Beachten Sie, dass aufgrund der begrenzten lateralen Auflösung, die Glaskugeln in der seitlichen Richtung verschmiert sind und erscheinen als Ellipsoide im Bild.

3. Data Collection

1. Drücken Sie die New Exam Taste auf der Ultraschall-Bedienfeld, um einen neuen Versuch zu starten.
2. Erstellen Sie eineneue "Patient" durch die Eingabe Rohrströmung in Nachname und heutige Datum in Vorname und der Prüfnummer in Patienten-ID.
3. Nach Gründung der "Patient", beginnt eine Ultraschalluntersuchung, bis die vorgegebene maximale zwischen 1000-1500 Bildern erreicht, nach dem eine neue Scan-Schleife beginnt. Durch Drücken der Taste Freeze auf dem Ultraschall Bedienfeld zweimal startet den Scan jederzeit vor Erreichen der maximalen vorgegebenen Anzahl von Bildern.
4. Sobald ein guter Satz von Ultraschallbildern erworben wurde (dh, scharfe Impfteilchens Bilder und ausreichend Saatgut Teilchendichte), drücken Sie die Taste Freeze auf dem Ultraschall Bedienfeld Bildaufnahme zu stoppen.
5. Drücken Sie die Cineloop Taste auf der Ultraschall-Bedienfeld. Wählen Sie den Satz von Ultraschallbildern zu analysieren mit dem ersten Zyklus Knopf auf dem Ultraschall-Bedienfeld, um das erste Bild in der Reihe ausgewählt werden, und der letzte Zyklus Knopf, um denletzte Bild in der Reihe.
6. Drücken Sie die Image Store-Taste auf der Ultraschall-Bedienfeld, um die ausgewählte Gruppe von Ultraschallbildern zu speichern.
7. Drücken Sie die Schaltfläche Archivieren auf dem Ultraschall Bedienfeld und nutzen Sie den Mauszeiger auf End Exam wählen. Dies wird der Benutzer aufgefordert, Bilder oder cineloops auszuwählen, die an der lokalen Festplatte zu speichern. Aktivieren Sie das cineloop (en) von Interesse beenden Sie dann das Examen.
8. Drücken Sie die Schaltfläche Archivieren auf dem Ultraschall Bedienfeld und nutzen Sie den Mauszeiger auf erste Option Mehr und wählen Sie dann auf Datenträgerverwaltung. Disk Management wird die gespeicherte cineloop (s) zum PC mit der PIV-Software übertragen.

4. Konvertieren Filetype

1. Eine Ultraschall-Bild wird als Digital Imaging Kommunikation in der Medizin (DICOM) Dateityp auf dem Ultraschall-Gerät gespeichert sind. Um geöffnet und gelesen werden, durch die PIV-Software, müssen die DICOM Dateien Bilddateien umgewandelt werden. Gegenwärtiga Matlab Skript läuft DICOM2JPG.m wird verwendet, um die DICOM-Dateien in Joint Photographic Experts Group (JPEG-Datei) konvertieren.
2. Die JPEG-Ultraschallbilder werden dann analysiert mit DaVis Software von LaVision.

5. Berechnen Displacement Fields, D (x, y) Verwenden DaVis

1. Doppelklick mit der Maus auf dem Davis-Symbol auf dem PC. Wählen Sie Neues Projekt. Wählen PIV.
2. Wählen Sie Bilder importieren in der Symbolleiste, und wählen Sie Import via nummerierte Dateien. In dem Pull-Down-Menü, suchen Sie den Ordner, in dem die JPEG-Ultraschall-Bilder werden gespeichert, und doppelklicken Sie auf das erste Bild der Reihe klicken. Dies importiert alle Ultraschallbilder in diesem nummerierten Satz.
3. Typischerweise eine Bildmaske wird definiert, um den Bereich von Interesse (ROI) in dem Ultraschallbild zu verarbeitenden isolieren. Für Rohrströmung wird die Maske verwendet, um die ROI zwischen den Rohrwänden (dh das Fluid) zu definieren.
4. Zum dem Bedienfeld in Davis, wählen Sie die Registerkarte unter Aktuelles Projekt mit den importierten Bildern befindet, und wählen Sie die Registerkarte Batch Processing. Dies ermöglicht es dem Vektor Verarbeitungsfenster von DaVis für Stapelverarbeitung der eingeführten Ultraschallbildern.
5. Von der Operationen Liste mit der PIV-Time-Series Baum, wählen Sie Vektorrechnung Parameter, und wählen Sie die Parameter für Vektor-Verarbeitung verwendet werden. Wenn eine Maske verwendet wird, aktivieren Sie das Kontrollkästchen Data Range = verwenden maskierte Bereich im Vektor Berechnung Parametermenü. Beachten Sie, dass eine optimale Auswahl von Vektor Berechnungsparameter abhängig Strömungsgeometrie, Fließverhalten, Bildauflösung Tracer Teilchendichte und die gewünschte quantitative Flow-Analyse ist. ¹⁰
   Für die Rohrströmung Messungen sind die Parameter, die in der Regel ergab die besten Ergebnisse Multipass mit abnehmender Verhör Größe von 32 x 32 Pixel ² bis 8 x8 Pixel ^2, mit einer Überlappung von 50%. Relative vector Bereich Einschränkung wurde auf ± alle (window size / 2) und absolute vector Bereich Einschränkung wurde auf ± 5 Pixel gesetzt. Schließlich wurde ein 3 x 3pixel ² Medianfilter verwendet, um Rauschen zu unterdrücken und glätten die Vektor-Felder.
6. Auf der linken Seite der Batch-Verarbeitung Bildschirm wählen Sie den Gesamtbetrag der zu verarbeitenden Bilder und wählen Sie Start-Bearbeitung. Dieser berechnet den Verschiebungsfeld, D (x, y), zwischen aufeinanderfolgenden Ultraschallbildern mittels Kreuzkorrelation Algorithmen.

6. Analyse Vector Fields

1. Für Post-Processing und Datenanalyse werden die EPIV vector Felder aus Davis. Txt-Dateien exportiert. Dies wird durch die Auswahl der Vektorverschiebung Filiale unter dem JPEG-Bild Niederlassung in dem Projekt Bildschirm erreicht. In der Symbolleiste, wählen Sie die Registerkarte Export, wählen Sie Dateityp ASCII. Txt, wählen / erstellen Sie eine Export-Ordner, eind wählen Sie Exportieren.
2. Die exportierten Vektorfelder genannt Bxxxxx.txt, wo 00.001 ≤ xxxxx ≤ 99999, mit B bezeichnet Puffer. Jede Datei enthält vier Datenspalten: (1) x-Stelle des Vektors in das Bild, (2) y-Stelle des Vektors in das Bild, (3) x-Komponente der Verschiebung (dh Verschiebung in Strömungsrichtung), (4) y-Komponente der Verschiebung (dh, an der Wand normale Verschiebung). Die Bxxxxx.txt Dateien geöffnet und in MATLAB verarbeitet, um die Geschwindigkeit zu berechnen ersten Feld, durch Kenntnis der Zeitschritt zwischen Bildpaaren, AT [s], und die Bildvergrößerung, M [m / Pixel], dh u (x, y ) = MD (x, y) / AT. Der Zeitschritt zwischen Bildern AT = 1/fps + D (x, y) / B, wobei B [Pixel / s] die Zeit, die für die Ultraschall-Sonde über die Bildbreite zu überstreichen. In der vorliegenden Studie, M = 77 [&mgr; m / Pixel], fps = 49,5 [1 / s] und B = 25.047 [Pixel / s]. Als nächstes ensemlich durchschnittliche Geschwindigkeit Vektorfelder, Wand-normal-Profile der mittleren Geschwindigkeit, unter anderem Durchflussmengen von Interesse berechnet. (Siehe Abschnitt Repräsentative Ergebnisse.)

Ergebnisse

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...

Diskussion

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...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Name des Reagenzes	Firma	Katalog-Nummer	Kommentare (optional)
Ultraschallgerät	GE	Vivid 7 Pro
Linear Ultrasound Array	GE	10 L
DC Wasserpumpe	KNF	NF 10 KPDC
Vector Processing Software	LaVision	DaVis 7,2
Post-Processing Software	Mathworks	MATLAB 7,12
Acryl Tubing	McMaster-Carr	8486K531
Ultraschall-Gel	Parker	Aquasonic 100