Echo Particle Image Velocimetry

Das Ziel dieses Experiments besteht darin, zweidimensionale, momentane Geschwindigkeitsfelder in der Hagen-Zoi-Strömung, auch bekannt als laminare Rohrströmung, zu erfassen. Mithilfe der Echo-Particle-Image-LOC-Symmetrie oder E-P-I-V-E-P-I-V werden Validierungsmessungen in einer zirkulierenden Rohrströmung eines 50-50-Gemischs aus Wasser und Glycerin demonstriert. Das hier verwendete Rohrströmungssystem nutzt einen konstanten Druckgradienten, der durch eine Aquariumspumpe aufrechterhalten wird, um die Strömung anzutreiben.

Ein Ultraschall-Phased-Array-Sondenkopf ist an der Rohrwand des Strömungssystems befestigt, und Ultraschall-Bildaufnahmen im B-Modus werden kontinuierlich übertragen. Die Flüssigkeit ist mit hohlen Glaskugeln oder Tracerpartikeln versetzt, die der Strömungsbewegung exakt folgen. Anschließend werden Ultraschallbilder aufgenommen, auf einen PC übertragen und in ein Bildformat umgewandelt, das mit der kommerziellen Software zur Particle-Image-Velocimetry kompatibel ist.

Kreuzkorrelationsalgorithmen werden auf aufeinanderfolgende Ultraschall-B-Bild-Abbildungen angewendet, um zweidimensionale Geschwindigkeitsfelder zu berechnen. Letztendlich werden die Vektorfelder analysiert, um strömungsrelevante Größen wie die mittlere Schubspannung und Wirbelstärke zu ermitteln. Obwohl diese Technik Einblicke in grundlegende Strömungsdynamik ermöglicht, kann sie auch in praktischen Strömungssystemen eingesetzt werden, beispielsweise in biomedizinischen Anwendungen wie arteriellen oder interventrikulären Strömungen.

Unsere laufenden Experimente mit verflüssigter Biomasse und Fluid haben unser Interesse an dieser Technik geweckt. Um das EP IV-System einzurichten, schalten Sie zunächst die Pumpen ein. Dadurch wird der zirkulierende Rohrfluss mit konstanter Geschwindigkeit gestartet.

Als Nächstes tragen Sie ein wasserbasiertes topisches Gel auf die Ultraschallsonde auf. Das Gel minimiert den Verlust der Übertragung des Ultraschallstrahls zwischen der Sondenvorderseite und der Rohrwand. Befestigen Sie anschließend die Ultraschallsonde mithilfe einer speziell konstruierten Sondenhalterung mit Durchgangsrohranschlüssen an der äußeren Rohrwand und schalten Sie das Ultraschallgerät ein.

Sobald alle Systeme geladen sind, erscheint ein Live-Stream von Bildern auf dem Ultraschallbildschirm. Der 2D-Modus ist die Standardeinstellung für die lineare Sonde, um EPIV-Messungen durchzuführen. Zunächst wird das entsprechende Trockengewicht von nominell 10 µm großen hohlen Glaskugeln abgewogen, sodass ihre endgültige Konzentration nach Zugabe zum Flusssystem etwa 17 Gewichtsteile pro Million beträgt.

Als Nächstes entnehmen Sie eine Flüssigkeitsmenge aus dem Becken und geben die Partikel zur Flüssigkeit hinzu, um eine konzentrierte Partikellösung herzustellen. Die Partikel dienen im Durchflusssystem als Ultraschall-Kontrastmittel oder als Tracer-Partikel. Geben Sie die konzentrierte Partikellösung durch Rühren in die Wasserbecken des zirkulierenden Rohrdurchflusssystems.

Die Glaskugeln können dann auf dem Ultraschallmonitor betrachtet werden. Nach einigen Minuten sind die Glaskugeln gleichmäßig im gesamten System verteilt. Daher gehört die Erzielung klarer Ultraschallaufnahmen mit hoher Auflösung zu den schwierigsten Teilen dieses Verfahrens. Um die Qualität dieser Aufnahmen zu maximieren, stellen wir die Verstärkung, Fokuspunkte und Dynamikbereich basierend auf a-priori-Schätzungen der Strömungsgeschwindigkeit ein.

Wir optimieren diese Parameter zusätzlich in Echtzeit durch die Analyse der Ultraschallbilder. Verwenden Sie den Tiefenregler am Bedienfeld des Ultraschallgeräts, um die Bildtiefe auf drei Zentimeter einzustellen. Anschließend stellen Sie mithilfe des 2D-Verstärkungsreglers die Gesamtverstärkung des Bildes so ein, dass die Helligkeit des Bildes erhöht wird und die Sämereien im Instrumentenfeld deutlich sichtbar sind.

Passen Sie die Zeitverstärkungskompensationsregler an, um Streuung an den Rohrwänden zu dämpfen und die tiefeabhängige Dämpfung des Ultraschallsignals auszugleichen. Dadurch werden übermäßige Bildanteile an der Ober- und Unterseite der Rohrwände im 2D-Modus entfernt. Die Regler auf der Oberseite des Bedienfelds von links nach rechts entsprechen Breite, Fokusfrequenz und Bildwiederholrate.

Verwenden Sie diese Regler, um das Bild weiter anzupassen und die höchstmögliche physikalische Auflösung, Frequenz und Bildrate für die Analyse zu erreichen. Stellen Sie dann die Betriebsfrequenz der Sonde auf 10 Megahertz ein und legen Sie die Bildrate auf 49,5 Bilder pro Sekunde fest. Beachten Sie, dass diese vier Parameter inhärent miteinander gekoppelt sind.

Daher besteht bei einer gegebenen Ultraschall-Bildaufnahme ein Kompromiss zwischen räumlicher und zeitlicher Auflösung. Aufgrund der begrenzten lateralen Auflösung werden die Glaskugeln in lateraler Richtung verschmiert und erscheinen im Bild als Ellipsoide. Sobald die Parameter optimiert sind, ist es Zeit, die Daten am Ultraschall-Bedienfeld des Geräts zu erfassen.

Drücken Sie die Schaltfläche „Neue Untersuchung“, um ein neues Experiment zu starten. Geben Sie unter Patient Strömung im Rohr als Nachnamen und das Datum als Vornamen ein.

Geben Sie die Testnummer in das Feld für die Patienten-ID ein. Die Ultraschalluntersuchung beginnt dann automatisch, sobald die voreingestellte Maximalanzahl von 1000 bis 1.500 Bildern erreicht ist. Ein neuer Scan-Zyklus beginnt, während die Aufnahme fortgesetzt wird.

Nehmen Sie Anpassungen an den Bildgebungsparametern vor, bis das Samenkorn scharf im Fokus steht und etwa 10 Teilchen pro Auswertebereich sichtbar sind. Um die Aufnahmeschleife erneut zu starten, drücken Sie die Freeze-Taste auf dem Ultraschallbedienfeld. Sobald eine ausreichende Anzahl idealer Bilder erfasst wurde, drücken Sie die Freeze-Taste.

Als Nächstes drücken Sie die C-Schleifen-Taste am Ultraschallsteuerpult. Wählen Sie alle Bilder aus, um alle Ultraschallaufnahmen in den Analyse-Datensatz einzubeziehen. Sobald die für die Analyse ausgewählten Bilder festgelegt sind, drücken Sie die Bildspeichertaste, um den ausgewählten Satz an Ultraschallbildern zu speichern.

Nachdem die Bilder gespeichert wurden, drücken Sie die Archiv-Taste am Ultraschall-Bedienfeld. Wählen Sie dann, wenn dazu aufgefordert, die gewünschte Syn-Loop aus dem kleinen Fenster aus, die auf der lokalen Festplatte gespeichert werden soll. Verwenden Sie anschließend den Mauszeiger, um „Ende Untersuchung“ auszuwählen.

Drücken Sie die Archivtaste und verwenden Sie den Mauszeiger, um zunächst „Mehr“ und anschließend „Datenträgerverwaltung“ auszuwählen. Dadurch werden die gespeicherten Zylinderschleife(n) auf den PC übertragen, auf dem die Particle-Image-Velocity-Symmetrie- oder PIV-Software läuft. Sobald die Bilder erfasst und gespeichert sind, muss das Ultraschallbild von einer Digital Imaging and Communications in Medicine- oder DICOM-Datei in eine Joint Photographic Experts Group- oder JPEG-Bilddatei zur Analyse konvertiert werden.

Verwenden Sie ein MATLAB-Skript mit dem Namen DICOM to jpeg dot m, um die DICOM-Dateien in JPEGs zu konvertieren. Dieses Skript wurde intern entwickelt und kann zu Bildungszwecken über die hier angezeigte Webadresse bezogen werden. Nachdem die Datei konvertiert wurde, öffnen Sie die Davi-Software von Law Vision in der Software.

Doppelklicken Sie auf das davi-Symbol, wählen Sie neues Projekt und anschließend PIV. Wählen Sie in der Symbolleiste „Bilder importieren“ und dann „Import über nummerierte Dateien“. Navigieren Sie dann im Dropdown-Menü zum Ordner, in dem die JPEG-Ultraschallbilder gespeichert sind, und doppelklicken Sie auf das erste Bild des Datensatzes.

Dadurch werden alle Ultraschallbilder dieses nummerierten Satzes importiert, um einen interessierenden Bereich für die Analyse zu definieren, der ausschließlich die Flüssigkeit umfasst. Wenden Sie eine Maske an, um die Maske zu erstellen, geben Sie die Koordinaten ein und definieren Sie einen rechteckigen Bereich mithilfe von zwei x- und y-Koordinatenpunkten basierend auf den Informationen aus der DICOM-Datei und der Kenntnis der Pixelabmessungen. Gehen Sie danach im Hauptsteuerfeld von dvu auf den Tab unter dem aktuellen Projekt, der die importierten Bilder enthält.

Wählen Sie die Tabelle mit der Bezeichnung Batch-Verarbeitung aus. Dadurch wird das Vektorverarbeitungsfenster von Davi für die Batch-Verarbeitung aus der Operationsliste aktiviert. Wählen Sie im PIV-Plus-PIV-Zeitreihenbaum die Vektorberechnungsparameter aus und wählen Sie Mehrfachpass mit einer abnehmenden Abtastgröße von 64 Pixeln × 64 Pixeln bis auf 12 Pixel × 12 Pixel und einer Überlappung von 50 %. Stellen Sie die relative Vektorbereichsbeschränkung auf alle und anschließend die absolute Vektorbereichsbeschränkung auf fünf Pixel ein. Wenden Sie dann einen Medianfilter an, um Rauschen zu unterdrücken und die Vektorfelder zu glätten.

Als Nächstes zur Vektorverarbeitung das Kontrollkästchen „Datenbereich entspricht maskiertem Bereich“ im Parametermenü für die Vektorberechnung aktivieren. Beachten Sie, dass die optimale Auswahl der Parameter für die Vektorberechnung von der Strömungsgeometrie, den Strömungseigenschaften, der Bildauflösung, der Dichte der Tracerteilchen und der gewünschten quantitativen Strömungsanalyse abhängt. Sobald alle gewünschten Parameter auf der linken Seite des Batch-Verarbeitungsbildschirms festgelegt wurden, die Gesamtanzahl der zu verarbeitenden Bilder auswählen.

Klicken Sie auf „Verarbeitung starten“. Dadurch wird das Verschiebungsfeld zwischen aufeinanderfolgenden Ultraschallbildern mithilfe von Kreuzkorrelationsalgorithmen berechnet. Um die verarbeiteten Daten zu analysieren, exportieren Sie die UCV-Vektorfelder aus DAVO als TXT-Dateien.

Führen Sie dies unter dem JPEG-Bild-Zweig im Projektbildschirm durch, indem Sie den Vektorverschiebungs-Zweig auswählen. Wählen Sie im Werkzeugkasten den Export-Tab aus. Wählen Sie den Dateityp aus.

Bitten Sie e txt. Erstellen Sie einen Exportordner und wählen Sie Export. Öffnen Sie als Nächstes die Datei in MATLAB, indem Sie das MATLAB-Skript ausführen.

Die exportierten Vektorfelder sind benannt als B-X-X-X-X-X zu TXT, wobei X eine Zahl darstellt, die von eins bis 99, 999 ansteigt. Jede Datei enthält vier Datenspalten, die mit einem Texteditor angezeigt werden können: eins, x-Position des Vektors im Bild; zwei, y-Position des Vektors im Bild; drei, x-Komponente der Verschiebung beziehungsweise strömungsrichtige Verschiebung; und vier, y-Komponente der Verschiebung, welche die wandnormale Verschiebung beschreibt. Diese wird verwendet, um das Geschwindigkeitsvektorfeld U als Funktion von X und Y zu berechnen, wobei X und Y den räumlichen Koordinaten im Ultraschallbild entsprechen. Dies erfolgt, indem zunächst das Verschiebungsfeld D von X und Y, gemessen in Pixeln, in ein Verschiebungsfeld umgerechnet wird, das in Metern gemessen ist, unter Verwendung des Bildskalierungsparameters M, angegeben in Meter pro Pixel.

Danach wird das Verschiebungsfeld durch die korrigierte zeitliche Trennung zwischen den Bildern delta T geteilt, wobei delta T gleich eins durch die Bildfrequenz in Bildern pro Sekunde ist, plus das Verschiebungsfeld geteilt durch die Zeit, die das Ultraschallbild benötigt, um die Bildbreite zu durchlaufen. Zusammenfassend gilt: U von X und Y ist gleich M mal D von X und Y geteilt durch delta T. DICOM speichert von Haus aus eine Dateistruktur, die die zur Berechnung des Bildskalierungsparameters M und der sweep-korrigierten zeitlichen Trennung erforderlichen Informationen bereitstellt. In der vorliegenden Studie beträgt M 77 Mikrometer pro Pixel, FPS beträgt 49,5 und B beträgt 25.047 Pixel pro Sekunde.

Berechnen Sie abschließend die mittleren Geschwindigkeitsvektorfelder des Ensembles sowie die normalen Profile der mittleren Geschwindigkeit und anderer relevanter Strömungsgrößen. Um die Nützlichkeit der EPIV zu demonstrieren und die Messunsicherheit zu bewerten, wurden zweidimensionale, momentane Geschwindigkeitsfelder einer laminaren Rohrströmung wie in diesem Video beschrieben aufgezeichnet. Diese momentane Vektorgrafik zeigt Geschwindigkeitsvektoren jeder vierten Spalte, und die farbige Hintergrundkontur entspricht dem Betrag der Geschwindigkeit. Die zweidimensionale räumliche Position des Geschwindigkeitsvektors wird mit D über D und X über D bezeichnet, wobei D die radiale Position, gemessen von der oberen Wand, angibt.

D ist der Rohrdurchmesser und X die in Strömungsrichtung vom Rohreintritt aus gemessene Position. Die scheinbar parabelförmige Anordnung der Geschwindigkeitsvektoren entlang der Spalten zeigt, dass die Messungen mit dem erwarteten Geschwindigkeitsprofil für eine Rohrströmung übereinstimmen. Die durch Mittelung über 1000 augenblickliche Vektorplots berechnete mittlere Vektoraufnahme liefert eine Darstellung des mittleren Geschwindigkeitsfeldes.

Es wird außerdem zufällige Rauschfehler in den momentanen Vektorfeldern mitteln. Die Geschwindigkeitsvektoren zeigen hauptsächlich in Strömungsrichtung. Die höchsten Geschwindigkeiten treten auf der Rohrachsenmitte auf.

Die Geschwindigkeiten nahmen an den Rohrwänden den Wert null an, und die Strömung ist annähernd symmetrisch. Das mittlere strohmungsrichtungsbezogene Geschwindigkeitsprofil entlang des Rohrradius, das durch Mittelung des ensambelgemittelten Vektorfeldes entlang der Zeilen in horizontaler Richtung erhalten wurde, ist hier dargestellt. Ebenfalls gezeigt ist das erwartete mittlere Geschwindigkeitsprofil für laminare Rohrströmung unter den gegebenen experimentellen Bedingungen.

Die Übereinstimmung zwischen den EPIV-Messungen und dem erwarteten Higgin-Pozo-Profil ist in der Nähe der Rohrachse am besten und in der Nähe der Rohrwände am schlechtesten. Die großen Unterschiede in Wandnähe sind wahrscheinlich auf starke Reflexion und Brechung der Ultraschallwellen an der gekrümmten Oberfläche der Rohrwand zurückzuführen, was in diesen Bereichen zu hohen Bildintensitäten führt. Die hohen Intensitäten an der Wand verdecken die Partikelintensitäten und führen so zu Messfehlern. Mit der Entwicklung dieser Technik können Forscher, die Strömungsdynamik in technischen oder biologischen Flusssystemen untersuchen, nun räumlich-zeitliche Variationen des Geschwindigkeitsfeldes in optisch undurchsichtigen Fluiden oder durch optisch undurchsichtige Geometrien hindurch erfassen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie EPIV funktioniert, welche Grenzen es hat und wie man ein EPIV-System unter Verwendung eines kommerziellen Ultraschallgeräts aufbaut und bedient.