صدى الجسيمات Velocimetry صورة

الهدف من هذه التجربة هو الحصول على مجالات سرعة لحظية ثنائية الأبعاد في تدفق هاغن-بوازيه، والمعروف أيضاً باسم التدفق الصفائحي في الأنابيب. وباستخدام قياسات التحقق من التماثل في تتبع جزيئات الصدى (E-P-I-V)، يتم توضيح هذه القياسات في تدفق أنبوبي معاد تدويره لخليط بنسبة 50 50 من الماء والجلسرين. يستخدم نظام التدفق الأنبوبي المستخدم هنا رأساً ضاغطاً ثابتاً يتم الحفاظ عليه بواسطة مضخة حوض أسماك لدفع التدفق.

يتم تركيب مسبار موجات فوق صوتية ذي مصفوفة طورية على جدار أنبوب نظام التدفق، ويتم بث صور موجات فوق صوتية بنمط B mode. يتم تزويد السائل بكرات زجاجية مجوفة أو جسيمات تتبع تتبع حركات التدفق بدقة. بعد ذلك، يتم الحصول على صور الموجات فوق الصوتية، ونقلها إلى جهاز كمبيوتر، وتحويلها إلى تنسيق صور متوافق مع برنامج تجاري لتحليل قياس سرعة الصور الجسيمية.

تُطبق خوارزميات الارتباط المتبادل على صور الموجات فوق الصوتية المتتالية بوضع B لحساب مجالات سرعة ثنائية الأبعاد. وفي النهاية، يتم تحليل المجالات المتجهة لحساب كميات التدفق ذات الأهمية، مثل متوسط إجهاد القص للمجموعة، والدوامية. وبالرغم من أن هذه التقنية يمكن أن توفر رؤية شاملة حول ديناميكيات السوائل الأساسية، إلا أنه يمكن استخدامها، ويُستخدم بالفعل في كثير من الأحيان، في أنظمة التدفق العملية، بما في ذلك التطبيقات الطبية الحيوية، مثل التدفقات الشريانية أو التدفقات بين البطينين.

إن تجاربنا المستمرة باستخدام الكتلة الحيوية المسيلة والسوائل هي ما أثار اهتمامنا بهذه التقنية. لإعداد نظام EP IV، ابدأ بتشغيل المضخات؛ سيؤدي ذلك إلى بدء تدفق الأنابيب الدوارة بمعدل ثابت.

بعد ذلك، ضع هلاماً موضعياً مائياً على مسبار الموجات فوق الصوتية. حيث يعمل الهلام على تقليل فقدان انتقال شعاع الموجات فوق الصوتية بين وجه المسبار والأنبوب. ثم، باستخدام حامل مسبار مصمم خصيصاً مع وصلات أنابيب نافذة للجدار، قم بتثبيت مسبار الموجات فوق الصوتية على الجدار الخارجي للأنبوب وقم بتشغيل جهاز الموجات فوق الصوتية.

بمجرد تحميل جميع الأنظمة، سيظهر بث مباشر للصور على شاشة الموجات فوق الصوتية. يُعد وضع 2D هو الإعداد الافتراضي للمسبار الخطي للحصول على قياسات EPIV. أولاً، قم بقياس الوزن الجاف المناسب من الكرات الزجاجية المجوفة ذات القطر الاسمي 10 micrometer بحيث يكون تركيزها النهائي عند إضافتها إلى نظام التدفق حوالي 17 weight parts per million.

بعد ذلك، استخرج حجماً من السائل من الحوض وأضف الجسيمات إلى السائل لتكوين محلول جسيمات مركز. ستعمل هذه الجسيمات عند إضافتها إلى نظام التدفق كعوامل تباين للموجات فوق الصوتية أو جسيمات تتبع. أضف محلول الجسيمات المركز إلى نظام تدفق الأنابيب recirculating عن طريق تحريكه في أحواض المياه.

يمكن بعد ذلك عرض الكرات الزجاجية على شاشة الموجات فوق الصوتية. وبعد بضع دقائق، ستتوزع الكرات الزجاجية بشكل متساوٍ في جميع أنحاء النظام، لذا فإن أحد أصعب أجزاء هذا الإجراء هو الحصول على صور موجات فوق صوتية واضحة وعالية الدقة. ومن أجل رفع جودة هذه الصور إلى الحد الأقصى، نقوم بضبط نقاط تركيز الكسب والنطاق الديناميكي بناءً على تقديرات مسبقة لسرعة التدفق.

نقوم بعد ذلك بتحسين هذه المعاملات بشكل فوري من خلال تحليل صور الموجات فوق الصوتية. استخدم مقبض التحكم في العمق الموجود في لوحة تحكم جهاز الموجات فوق الصوتية لضبط عمق الصورة على ثلاثة سنتيمترات. بعد ذلك، وباستخدام مقبض كسب الصورة ثنائية الأبعاد (2D gain)، اضبط الكسب الإجمالي للصورة لزيادة سطوعها بحيث تصبح الجسيمات البذرية مرئية بوضوح في لوحة الجهاز.

قم بضبط منزلقات تعويض كسب الوقت لتخفيف التشتت الناتج عن جدران الأنبوب ولتعويض التوهين المرتبط بالعمق لإشارة الموجات فوق الصوتية. سيؤدي ذلك إلى إزالة الصور الزائدة عند الجزء العلوي والسفلي من جدران الأنبوب في وضع 2D. تشير المقابض الموجودة في أعلى لوحة التحكم، من اليسار إلى اليمين، إلى العرض، وتردد التركيز، ومعدل الإطارات.

استخدم هذه المقابض لضبط الصورة بشكل أكبر لتحقيق أعلى دقة مادية وتردد ومعدل إطارات ممكن للتحليل. ثم اضبط تردد تشغيل المسبار على 10 megahertz واضبط معدل الإطارات على 49.5 frames per second. لاحظ أن هذه المعاملات الأربعة مترابطة بطبيعتها.

وبناءً على ذلك، هناك مقايضة بين الدقة المكانية والزمانية لكل عملية مسح بصورة الموجات فوق الصوتية. ونظراً لمحدودية الدقة الجانبية، سوف تبدو الكرات الزجاجية ممتدة في الاتجاه الجانبي وتظهر كأشكال بيضاوية في الصورة. وبمجرد تحسين المعلمات، يحين وقت جمع البيانات من لوحة تحكم الموجات فوق الصوتية في الجهاز.

اضغط على زر الفحص الجديد لبدء تجربة جديدة. تحت خانة المريض، أدخل pipe flow كاسم عائلة والتاريخ كاسم أول.

أدخل رقم الاختبار في حقل معرف المريض. سيبدأ الفحص بالموجات فوق الصوتية تلقائياً عند الوصول إلى الحد الأقصى المسبق الذي يتراوح بين 1000 إلى 1,500 صورة. وتبدأ حلقة مسح جديدة مع استمرار عملية الفحص.

قم بإجراء تعديلات على معلمات التصوير حتى تصبح جسيمات التتبع في بؤرة تركيز حادة مع وجود حوالي 10 جسيمات لكل منطقة استجواب. لإعادة تشغيل حلقة تسجيل المسح، اضغط على زر التجميد (freeze) في لوحة تحكم الموجات فوق الصوتية. وبمجرد الحصول على عدد كافٍ من الصور المثالية، اضغط على زر التجميد (freeze).

بعد ذلك، اضغط على زر الحلقة C (C loop) في لوحة تحكم جهاز التصوير بالموجات فوق الصوتية. اختر جميع الصور لتضمين كافة صور الموجات فوق الصوتية في مجموعة التحليل. وبمجرد اختيار الصور المراد تحليلها، اضغط على زر حفظ الصور (image store) لحفظ مجموعة صور الموجات فوق الصوتية المختارة.

بمجرد حفظ الصور، اضغط على زر الأرشفة (archive) في لوحة تحكم جهاز الموجات فوق الصوتية. وعندما يظهر طلب بذلك، اختر حلقة التزامن (syn loop) المطلوبة من النافذة الصغيرة لحفظها على القرص الصلب المحلي. ثم استخدم مؤشر الماوس لاختيار إنهاء الفحص (end exam).

اضغط على زر الأرشفة واستخدم مؤشر الماوس لاختيار المزيد أولاً ثم اختر إدارة الأقراص. سيؤدي ذلك إلى نقل حلقة أو حلقات cyl المحفوظة إلى جهاز الكمبيوتر الذي يشغل برنامج قياس سرعة الصور الجسيمية أو PIV. وبمجرد التقاط الصور وحفظها، يجب تحويل صورة الموجات فوق الصوتية من ملف اتصالات الصور الرقمية في الطب أو DICOM إلى ملف صورة مجموعة خبراء التصوير الفوتوغرافي المشترك أو JPEG من أجل التحليل.

استخدم نصاً برمجياً في برنامج MATLAB يقوم بتشغيل الملف DICOM to jpeg.m لتحويل ملفات DICOM إلى صيغة JPEG. تم إعداد هذا النص برمجياً داخلياً ويمكن الحصول عليه للأغراض التعليمية من عنوان الويب الموضح هنا. وبمجرد تحويل الملف، افتح برنامج Davi من شركة Law Vision في البرمجيات.

انقر نقرًا مزدوجًا على أيقونة davi، ثم اختر مشروعًا جديدًا (new project)، وبعد ذلك اختر PIV. من شريط الأدوات، اختر استيراد الصور (import images) ثم حدد الاستيراد عبر الملفات المرقمة (import via numbered files). بعد ذلك، ومن القائمة المنسدلة، حدد المجلد الذي تُخزن فيه صور الموجات فوق الصوتية بصيغة JPEG، وانقر نقرًا مزدوجًا على الصورة الأولى من المجموعة.

سيعمل هذا الإجراء على استيراد جميع صور الموجات فوق الصوتية في هذه المجموعة المرقمة لتحديد منطقة اهتمام للتحليل تشمل السوائل فقط. قم بتطبيق قناع لإنشاء القناع، وأدخل الإحداثيات، وهي منطقة مستطيلة باستخدام نقطتي إحداثيات x و y بناءً على المعلومات الواردة في ملف DICOM والمعرفة بأبعاد البكسل. بعد ذلك، في لوحة التحكم الرئيسية في برنامج dvu، انقر فوق علامة التبويب الموجودة أسفل المشروع الحالي والتي تحتوي على الصور المستوردة.

اختر الجدول المسمى "batch processing". سيعمل ذلك على تفعيل نافذة معالجة المتجهات في برنامج Davi للمعالجة الدفعية من قائمة العمليات باستخدام "PIV plus PIV time series tree"، ثم حدد بارامترات حساب المتجهات واختر "multipass" مع تصغير حجم منطقة الاستجواب من 64 pixels by 64 pixels إلى 12 pixels by 12 pixels مع تداخل بنسبة 50%. اضبط تقييد النطاق النسبي للمتجهات على "all"، ثم اضبط تقييد النطاق المطلق للمتجهات على 5 pixels. بعد ذلك، قم بتطبيق مرشح الوسيط (median filter) لكبح الضوضاء وتنعيم حقول المتجهات.

بعد ذلك، وفيما يخص معالجة المتجهات، حدد المربع الخاص بنطاق البيانات "data range equals use masked area" في قائمة معاملات حساب المتجهات. يرجى ملاحظة أن الاختيار الأمثل لمعاملات حساب المتجهات يعتمد على هندسة التدفق، وخصائص التدفق، ودقة الصورة، وكثافة الجسيمات المتتبعة، والتحليل الكمي المطلوب للتدفق. وبمجرد ضبط جميع المعاملات المطلوبة في الجانب الأيسر من شاشة المعالجة المجمعة، حدد العدد الإجمالي للصور المراد معالجتها.

انقر فوق بدء المعالجة. سيؤدي ذلك إلى حساب مجال الإزاحة بين صور الموجات فوق الصوتية المتتالية باستخدام خوارزميات الارتباط المتقاطع. ولتحليل البيانات المعالجة، قم بتصدير مجالات متجهات UCV من برنامج DAVO كملفات txt.

للقيام بذلك، اختر فرع الإزاحة المتجهة (vector displacement) ضمن فرع صورة JPEG في شاشة المشروع. من شريط الأدوات، اختر علامة تبويب التصدير (export). ثم حدد نوع الملف.

اطلب ملف النص. اختر إنشاء مجلد تصدير ثم حدد تصدير. بعد ذلك، افتح الملف في MATLAB عن طريق تشغيل سكربت MATLAB.

تُسمى حقول المتجهات المصدَّرة B-X-X-X-X-X do TXT حيث يمثل X رقماً يتزايد من 1 إلى 99,999. يحتوي كل ملف على أربعة أعمدة من البيانات، والتي يمكن عرضها باستخدام مفكرة النصوص: أولاً موقع x للمتجه في الصورة، وثانياً موقع Y للمتجه في الصورة، وثالثاً مركبة X للإزاحة أو الإزاحة الطولية (stream wise)، ورابعاً مركبة y للإزاحة التي تصف الإزاحة العمودية على الجدار. تُستخدم هذه البيانات لحساب حقل متجه السرعة U كدالة في X و Y، حيث يمثل X و Y الإحداثيات المكانية في صورة الموجات فوق الصوتية؛ ويتم ذلك أولاً عن طريق تحويل حقل الإزاحة D الخاص بـ X و Y المقاس بالبكسل إلى حقل إزاحة مقاس بالمتر باستخدام معامل قياس الصورة M المعطى بوحدات متر لكل بكسل.

بعد ذلك، يتم قسمة مجال الإزاحة على الفصل الزمني المصحح للمسح بين الصور delta T، حيث تكون delta T مساوية لمقلوب معدل الإطارات المعطى كإطار في الثانية، مضافاً إليها مجال الإزاحة مقسوماً على الوقت الذي تستغرقه صورة الموجات فوق الصوتية للمسح عبر عرض الصورة. وباختصار، U لـ X و Y تساوي M مضروبة في D لـ X و Y مقسومة على delta T. يخزن DICOM بطبيعته هيكل ملفات يوفر المعلومات اللازمة لحساب معامل قياس الصورة M والفصل الزمني المصحح للمسح. Delta T في الدراسة الحالية M تساوي 77 microns per pixel و FPS تساوي 49.5 و B تساوي 25, 047 pixels per second.

وأخيرًا، احسب حقول ناقل السرعة لمتوسط المجموعة مع المخططات العمودية لمتوسط السرعة وأي كميات تدفق أخرى ذات أهمية. ولإثبات فائدة تقنية EPIV وتقييم عدم اليقين في القياس، تم الحصول على حقول سرعة فورية ثنائية الأبعاد لتدفق أنبوبي صفيحي كما هو موضح في هذا الفيديو؛ حيث يظهر هذا المخطط الشعاعي الفوري ناقلات السرعة في كل عمود رابع، وتتوافق خريطة الكنتور الملونة في الخلفية مع مقدار السرعة. يتم تحديد الموقع المكاني ثنائي الأبعاد لناقل السرعة بواسطة D over D و X over D، حيث تمثل D الموضع الشعاعي المقاس من الجدار العلوي.

يمثل D قطر الأنبوب، ويمثل X الموضع الطولي المقاس من مدخل الأنبوب. يشير الشكل المكافئ الظاهري لمتجهات السرعة على طول الأعمدة إلى أن القياسات تتوافق مع ملف السرعة المتوقع لتدفق الأنابيب. ويوفر مخطط المتجهات متوسط المجموع، الذي تم حسابه عن طريق إجراء المتوسط لـ 1000 مخطط متجه لحظي، تمثيلاً لمجال السرعة المتوسط.

سيعمل ذلك أيضاً على تقليل تأثير أخطاء الضجيج العشوائي في حقول المتجهات اللحظية. وتكون متجهات السرعة بشكل أساسي في اتجاه التدفق. وتحدث أعلى السرعات عند الخط المركزي للأنبوب.

تناقصت السرعات إلى الصفر عند جدران الأنبوب، وكان التدفق متماثلاً تقريباً؛ ويظهر هنا ملف تعريف متوسط السرعة الطولي على طول نصف قطر الأنبوب، والذي تم الحصول عليه عن طريق حساب متوسط مخطط المتجهات المجمعة على طول الصفوف في الاتجاه الأفقي. كما يظهر أيضاً ملف تعريف متوسط السرعة المتوقع لتدفق الأنابيب الصفائحي، وذلك بناءً على الظروف التجريبية.

يكون التطابق بين قياسات EPIV وملف higgin pozo المتوقع في أفضل حالاته بالقرب من خط منتصف الأنبوب، وفي أسوأ حالاته بالقرب من جدران الأنبوب. ومن المرجح أن تعود الفروق الكبيرة بالقرب من الجدار إلى الانعكاس والانكسار القويين لموجات الموجات فوق الصوتية عند السطح المنحني لجدار الأنبوب، مما يؤدي إلى كثافة صور عالية في هذه المناطق، حيث تحجب الكثافات العالية عند الجدار كثافات الجسيمات مما يؤدي إلى خطأ في القياس. ومع تطوير هذه التقنية، يمكن للباحثين الذين يدرسون ديناميكيات السوائل في أنظمة التدفق الهندسية أو البيولوجية الآن الحصول على التغيرات المكانية والزمانية لمجال السرعة في السوائل المعتمة بصرياً أو من خلال أشكال هندسية معتمة بصرياً.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية عمل تقنية EPIV، ومحدوديتها، وكيفية بناء وتشغيل نظام EPIV باستخدام جهاز موجات فوق صوتية تجاري.