Эхо Velocimetry Particle Image

Резюме

Image Echo частиц велосиметрии (EPIV) система, способная приобретения двумерного поля скорости в оптически непрозрачных жидкостей или через оптически непрозрачных геометрии описаны и проверки измерений в трубе не сообщается.

Аннотация

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.¹ Consequently, a prerequisite for understanding, predicting, and controlling fluid flows is the capability to measure the velocity field with adequate spatial and temporal resolution.² For velocity measurements in optically opaque fluids or through optically opaque geometries, echo particle image velocimetry (EPIV) is an attractive diagnostic technique to generate "instantaneous" two-dimensional fields of velocity.^3,4,5,6 In this paper, the operating protocol for an EPIV system built by integrating a commercial medical ultrasound machine⁷ with a PC running commercial particle image velocimetry (PIV) software⁸ is described, and validation measurements in Hagen-Poiseuille (i.e., laminar pipe) flow are reported.

For the EPIV measurements, a phased array probe connected to the medical ultrasound machine is used to generate a two-dimensional ultrasound image by pulsing the piezoelectric probe elements at different times. Each probe element transmits an ultrasound pulse into the fluid, and tracer particles in the fluid (either naturally occurring or seeded) reflect ultrasound echoes back to the probe where they are recorded. The amplitude of the reflected ultrasound waves and their time delay relative to transmission are used to create what is known as B-mode (brightness mode) two-dimensional ultrasound images. Specifically, the time delay is used to determine the position of the scatterer in the fluid and the amplitude is used to assign intensity to the scatterer. The time required to obtain a single B-mode image, t, is determined by the time it take to pulse all the elements of the phased array probe. For acquiring multiple B-mode images, the frame rate of the system in frames per second (fps) = 1/δt. (See 9 for a review of ultrasound imaging.)

For a typical EPIV experiment, the frame rate is between 20-60 fps, depending on flow conditions, and 100-1000 B-mode images of the spatial distribution of the tracer particles in the flow are acquired. Once acquired, the B-mode ultrasound images are transmitted via an ethernet connection to the PC running the PIV commercial software. Using the PIV software, tracer particle displacement fields, D(x,y)[pixels], (where x and y denote horizontal and vertical spatial position in the ultrasound image, respectively) are acquired by applying cross correlation algorithms to successive ultrasound B-mode images.¹⁰ The velocity fields, u(x,y)[m/s], are determined from the displacements fields, knowing the time step between image pairs, ΔT[s], and the image magnification, M[meter/pixel], i.e., u(x,y) = MD(x,y)/ΔT. The time step between images ΔT = 1/fps + D(x,y)/B, where B[pixels/s] is the time it takes for the ultrasound probe to sweep across the image width. In the present study, M = 77[μm/pixel], fps = 49.5[1/s], and B = 25,047[pixels/s]. Once acquired, the velocity fields can be analyzed to compute flow quantities of interest.

протокол

1. Создать измеримый поток

1. Измерения EPIV проверки будет показано в трубопроводе раствора глицерина, воды (50% глицерина - 50% воды). Схема экспериментальной установки показана на рисунке 1.
2. Полые стеклянные сферы с номинальным диаметром 10 мкм добавляют в жидкость при концентрации примерно 17 весовых частей на миллион. Полые стеклянные сферы служить в качестве ультразвуковых контрастных средств, а также их размеров и плотности выбраны так, что они пассивно следуют за потоком жидкости ^10.
3. Фиксированное напряжение подается на насос ввести известно расхода. Расход выбрана такой, что U << Ах / t, где U ì средняя скорость в трубе, Ах является линейной длины объем EPIV измерения и δt является шагом по времени между изображениями, т. е. поток необходимости "медленные" по сравнению с кадров ультразвукового сишток ^3.

2. Калибровка Ультразвуковое

1. Установите ультразвуковой зонд к внешней стенке трубы. На водной основе актуальных гель наносится на ультразвуковой датчик, чтобы свести к минимуму потери передачи ультразвукового луча между торцом датчика и стенкой трубы.
2. Включите аппарат УЗИ. В прямом эфире поток ультразвуковых изображений начинается автоматически, как только все системы нагрузки.
3. Установите глубину изображения использовании Глубина ручку управления на панели управления ультразвукового аппарата.
4. Установить общий коэффициент усиления изображения с помощью 2D ручки Gain на панели управления ультразвукового аппарата.
5. Отрегулируйте время получить компенсацию (ТГК) ползунки для ослабления разброс от стенок труб и для компенсации глубины связанных затухания ультразвукового сигнала.
6. Ширина изображения, фокусировка, частота зонда операционной, и частота кадров настраиваются с помощью назначаемых ручки управления. Этичетыре ручки, расположенной в левом верхнем углу панели управления, меняется в зависимости от режима, в котором работает система. В 2D-режиме (как в настоящее время используется), слева-направо ручки соответствуют ширине, фокус, частоту и частоту кадров, соответственно. Обратите внимание, что в связи с основополагающими принципами ультразвукового ^9, этих четырех параметров по своей природе связаны. Следовательно, для данного сканирования изображений ультразвука (т. е. эксперимент EPIV) существует компромисс между пространственным и временным разрешением.
7. На рисунке 2 представителя изображений УЗИ трубе высевают с 10 мкм полые стеклянные сферы. Обратите внимание, что в связи с ограниченным пространственным разрешением, стеклянные шары размываются в поперечном направлении и появляются в виде эллипсоида в изображении.

3. Сбор данных

1. Нажмите кнопку Создать экзамен на панели управления ультразвуковым, чтобы начать новый эксперимент.
2. Создатьновая "пациента", введя в трубе Фамилия и сегодняшней даты в имя и номер теста у пациента ID.
3. После создания «пациент», ультразвуковое сканирование начинается до заданного максимума между 1000-1500 изображение будет достигнута, после чего новый цикл начинается сканирование. Нажатие на кнопку Стоп на панели управления дважды ультразвуковых будет перезапустить сканирование в любое время до достижения максимального заданного количества изображений.
4. После хорошего набора ультразвуковых изображений были приобретены (например, резкое семян изображения частиц и достаточной плотности частиц семян), нажмите кнопку Стоп на панели управления ультразвук, чтобы остановить получения изображений.
5. Нажмите кнопку кинопетли на панели управления ультразвука. Выберите набор ультразвуковых изображений быть проанализированы с помощью первого регулятора цикла на панели управления ультразвук, чтобы выбрать первое изображение в набор, и последний цикл ручку, чтобы выбратьПоследнее изображение в набор.
6. Нажмите кнопку Image Store на панели управления ультразвук, чтобы сохранить выбранный набор ультразвуковых изображений.
7. Нажмите кнопку архива на панели управления УЗИ и с помощью мыши курсор, чтобы выбрать конец экзамена. Это будет предлагать пользователю для выбора изображения или cineloops для сохранения на локальном жестком диске. Выберите кинопетли (ы), представляющие интерес затем выйти на экзамене.
8. Нажмите кнопку архива на панели управления ультразвука и использовать курсор мыши сначала выбрать все больше и затем выберите Управление дисками. Управление дисками будет передавать сохраненные кинопетли (ы) с ПК под управлением программного обеспечения PIV.

4. Преобразование Filetype

1. Ультразвуковое изображение хранится в виде цифровых коммуникаций изображений в медицине (DICOM) типа файлов на аппарат УЗИ. Для того, чтобы открыть и прочитать с помощью программного обеспечения PIV, DICOM файлы должны быть преобразованы в графические файлы. В настоящее времяСценарий Matlab работает DICOM2JPG.m используется для преобразования файлов в формате DICOM Joint Photographic Experts Group (JPEG) тип файла.
2. Изображений JPEG ультразвуковой затем анализируются с помощью программного обеспечения с Дэвис LaVision.

5. Вычисление поля смещения, D (х, у), используя Дэвиса

1. Двухместный мыши на значке Дэвиса на ПК. Выберите New Project. Выберите PIV.
2. Выберите Импорт изображения в панели инструментов и выберите пункт Импорт с помощью пронумерованных файлов. В выпадающем меню, найдите папку, в которой изображений JPEG ультразвуковой хранятся, и дважды щелкните на первое изображение из набора. Это будет импортировать все ультразвуковых изображений в этой номером набора.
3. Обычно изображение маски будут определены выделить область интереса (ROI) в ультразвуковом изображении должны быть обработаны. Для трубе, маска используется, чтобы определить ROI между стенок труб (например, жидкости).
4. К главной панели управления в Дэвисе, выберите вкладку расположенную под Текущий проект содержащие импортированные изображения и выберите вкладку пакетной обработки. Это позволяет окну векторной обработки Дэвиса для пакетной обработки импортированных изображений ультразвука.
5. Из списка операций, с помощью PIV-временных рядов деревьев, выберите вектора параметров расчета, а также выбрать параметры, которые будут использоваться для векторной обработки. Если маска используется, проверьте Range окно Data = использовать масках области в меню параметров расчета вектора. Обратите внимание, что оптимальный выбор параметров расчета вектора зависит от потока геометрии, свойств потока, разрешение изображения, индикатор плотности частиц, и желаемый количественный анализ потока ^10.
   Для измерения трубе, параметры, которые, как правило, дала лучшие результаты многопроходной с уменьшением допроса размер 32 х 32 пикселя ² до 8 х8 пиксельных ^2, с перекрытием 50%. Относительная ограниченность диапазона вектор был установлен на ± все (размер окна / 2) и абсолютное ограничение диапазона вектор был установлен в пределах ± 5 пикселей. Наконец, 3 х ² 3pixel медианного фильтра была использована для подавления шума и сглаживания векторных полей.
6. В левой части экрана, пакетная обработка, выделите общего количества изображений для обработки и выбрать начальную обработку. Это позволит вычислить смещение поля, D (х, у), между последовательными ультразвуковых изображений с использованием кросс-корреляцию алгоритмов.

6. Анализ векторных полей

1. Для анализа пост-обработки и передачи данных, поля EPIV вектор которые экспортируются из Дэвис. Файлы TXT. Это достигается путем выбора филиала вектор смещения под филиал JPEG изображений в проекте экране. В панели инструментов, выберите вкладку Экспорт, выберите тип файла ASCII. TXT, выберите / создайте папку экспорт,D Выберите экспорт.
2. Экспортировать векторные поля называются Bxxxxx.txt, где 00001 ≤ ≤ ххххх 99999, с B обозначает буфер. Каждый файл содержит четыре столбца данных: (1) X-положение вектора в образ, (2) у-положение вектора в изображение, (3) х-компонента смещения (т.е. продольного смещения), (4) Y-компоненту смещения (то есть, стены нормальные смещения). Bxxxxx.txt файлы открываются и обрабатываются в MATLAB, чтобы сначала вычислить поле скоростей, зная шаг по времени между изображением пары, ΔT [с], а увеличение изображения, M [м / пиксель], т. е. и (х, у ) = MD (х, у) / T,. Шаг по времени между изображениями T = 1/fps + D (х, у) / B, где B [пикселов / с] является время, необходимое для ультразвукового зонда прокатиться по всей ширине изображения. В настоящем исследовании, M = 77 [мкм / пиксель], FPS = 49,5 [1 / с], а B = 25047 [пикселов / с]. Далее, ансамблейBLE средняя скорость векторные поля, нормальной к стенке профилей средней скорости, среди других величин потока интерес вычисляются. (См. раздел Результаты представитель.)

Результаты

Мгновенным эхом скорости Изображения Частиц (EPIV) векторное поле показано на рисунке 3. Вектор график показывает векторы скорости каждого четвертого столбца, а цвет фона контурная карта соответствует скорости величина. Вектор среднее по ансамблю участок среднем более 1000 мгнов...

Обсуждение

Операционная протокол Image Echo частиц велосиметрии (EPIV) система, способная приобретения двумерного поля скорости в оптически непрозрачных жидкостей или через оптически непрозрачных геометрии было описано. Практическое применение EPIV хорошо подходит для изучения промышленных и биологи?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Название реагента	Компания	Номер в каталоге	Комментарии (по желанию)
Ультразвуковая машина	GE	Vivid 7 Pro
Линейный массив Ультразвуковое	GE	10 L
DC водяного насоса	KNF	NF 10 KPDC
Векторной обработки программного обеспечения	Lavision	Дэвис 7,2
Сообщение обработка программного обеспечения	Mathworks	MATLAB 7,12
Акриловые трубы	МакМастер-Carг	8486K531
Ультразвуковой гель	Паркер	Aquasonic 100