Echo Particle Image Velocimetry

L'obiettivo di questo esperimento è acquisire campi bidimensionali e istantanei di velocità nel flusso di Hagen Zoi, noto anche come flusso laminare in tubo. Mediante l'uso dell'eco particle image LOC symmetry o E-P-I-V-E-P-I-V, vengono dimostrate misurazioni di validazione in un flusso ricircolante in tubo di una miscela 50 50 di acqua e glicerina. Il sistema di flusso in tubo qui utilizzato impiega una testata a pressione costante mantenuta da una pompa per acquari per generare il flusso.

Una sonda ecografica a matrice phased array è montata sulla parete della tubazione del sistema di flusso e vengono trasmesse immagini ecografiche in modalità B. Il fluido è riempito con sferette di vetro cave o particelle traccianti che seguono fedelmente il movimento del flusso. Successivamente, vengono acquisite immagini ecografiche, trasferite su un PC e convertite in un formato immagine compatibile con il software commerciale di velocimetria basata su immagini di particelle.

Gli algoritmi di cross-correlazione vengono applicati a immagini successive in modalità B agli ultrasuoni per calcolare campi bidimensionali di velocità. In definitiva, i campi vettoriali vengono analizzati per determinare grandezze di flusso di interesse, come lo sforzo tangenziale medio d'insieme e la vorticità. Sebbene questa tecnica possa fornire informazioni sulle basi della dinamica dei fluidi, essa può essere e viene spesso utilizzata in sistemi di flusso pratici, inclusi applicazioni biomediche, ad esempio flussi arteriosi o intraventricolari.

I nostri esperimenti in corso che utilizzano biomassa liquefatta e fluido sono ciò che ci ha interessato in questa tecnica. Per configurare il sistema EP IV, iniziare accendendo le pompe. Questo avvierà il flusso nel tubo di ricircolo a una velocità costante.

Successivamente, applicare un gel topico a base acquosa sulla sonda ecografica. Il gel riduce al minimo la perdita di trasmissione del fascio ultrasuonico tra la superficie della sonda e la tubatura. Quindi, utilizzando un supporto per sonda appositamente progettato con raccordi per tubi passanti attraverso la parete, fissare la sonda ecografica alla parete esterna del tubo e accendere l'apparecchio ecografico.

Una volta caricati tutti i sistemi, sullo schermo dell'ecografo apparirà un flusso continuo di immagini. La modalità 2D è l'impostazione predefinita per la sonda lineare per acquisire misurazioni EPIV. Per prima cosa, pesare la quantità corretta in peso di sfere di vetro cave con diametro nominale di 10 micrometri, in modo che la loro concentrazione finale, una volta aggiunte al sistema di flusso, sia di circa 17 parti per milione in peso.

Successivamente, prelevare un volume di fluido dal bacino e aggiungere le particelle al fluido per formare una soluzione concentrata di particelle. Le particelle, una volta aggiunte al sistema di flusso, fungeranno da agenti di contrasto per ultrasuoni o da particelle traccianti. Aggiungere la soluzione concentrata di particelle al sistema di flusso a ricircolazione mescolandola nei bacini d'acqua.

Le sfere di vetro possono quindi essere visualizzate sul monitor ecografico. Dopo alcuni minuti, le sfere di vetro si distribuiranno uniformemente in tutto il sistema, quindi una delle parti più difficili di questa procedura consiste nell'ottenere immagini ecografiche chiare ad alta risoluzione. Per massimizzare la qualità di queste immagini, regoliamo i punti focali del guadagno e la gamma dinamica in base a stime a priori della velocità del flusso.

Ottimizziamo ulteriormente questi parametri in tempo reale analizzando le immagini ecografiche. Utilizzare la manopola di controllo della profondità sul pannello di controllo dell'ecografo per impostare la profondità dell'immagine a tre centimetri. Successivamente, mediante la manopola del guadagno 2D, regolare il guadagno totale dell'immagine per aumentarne la luminosità in modo che le particelle traccianti siano chiaramente visibili sul pannello dello strumento.

Regolare i cursori di compensazione del guadagno temporale per attenuare la dispersione proveniente dalle pareti del tubo e per compensare l'attenuazione del segnale agli ultrasuoni in relazione alla profondità. Questo permetterà di eliminare l'eccesso di immagine nella parte superiore e inferiore delle pareti del tubo in modalità 2D. Le manopole in cima al pannello di controllo, da sinistra a destra, corrispondono rispettivamente a larghezza, frequenza di fuoco e frequenza dei fotogrammi.

Utilizzare queste manopole per regolare ulteriormente l'immagine, raggiungendo la massima risoluzione fisica, frequenza e frequenza di acquisizione possibile per l'analisi. Successivamente, regolare la frequenza operativa della sonda a 10 megahertz e impostare la frequenza di acquisizione a 49,5 fotogrammi al secondo. Si noti che questi quattro parametri sono intrinsecamente accoppiati.

Di conseguenza, per una data scansione dell'immagine ecografica, esiste un compromesso tra risoluzione spaziale e risoluzione temporale. A causa della limitata risoluzione laterale, le sfere di vetro risulteranno sfocate nella direzione laterale e appariranno come ellissoidi nell'immagine. Una volta ottimizzati i parametri, è il momento di acquisire i dati sul pannello di controllo dell'ecografo presente nello strumento.

Premere il pulsante nuovo esame per iniziare un nuovo esperimento. Sotto paziente, inserire flusso tubo come cognome e la data come nome.

Inserire il numero del test nel campo ID del paziente. L'ecografia inizierà automaticamente quando verrà raggiunto il massimo preimpostato di 1000 a 1.500 immagini. Un nuovo ciclo di scansione inizia quando la scansione prosegue.

Effettuare aggiustamenti ai parametri di imaging finché la particella seme non è messa a fuoco con precisione e si contano circa 10 particelle per area di interrogazione. Per riavviare il ciclo di acquisizione della scansione, premere il pulsante di congelamento sul pannello di controllo dell'ultrasuono. Una volta acquisite un numero sufficiente di immagini ideali, premere il pulsante di congelamento.

Successivamente, premere il pulsante del loop C sul pannello di controllo dell'ecografo. Selezionare tutte le immagini per includere tutte le immagini ecografiche nel set di analisi. Una volta selezionate le immagini da analizzare, premere il pulsante di memorizzazione immagini per salvare il set selezionato di immagini ecografiche.

Dopo aver salvato le immagini, premere il pulsante di archiviazione sul pannello di controllo dell'ecografo. Quando richiesto, selezionare dalla finestra piccola il ciclo sin da archiviare sul disco rigido locale. Quindi utilizzare il cursore del mouse per selezionare fine esame.

Premere il pulsante archivio e utilizzare il cursore del mouse per selezionare prima "altro" e poi "gestione disco". Questa operazione trasferirà il ciclo o i cicli di cil salvati al PC su cui è in esecuzione il software di velocimetria a immagine di particelle simmetrica o PIV. Una volta acquisite e salvate le immagini, l'immagine ecografica deve essere convertita da un file DICOM (Digital Imaging Communications in Medicine) a un file immagine JPEG (Joint Photographic Experts Group) per l'analisi.

Utilizzare uno script MATLAB che esegue DICOM_to_jpeg.m per convertire i file DICOM in JPEG. Questo script è stato sviluppato internamente ed è disponibile per scopi educativi all'indirizzo web mostrato qui. Una volta convertito il file, aprire il software Davi di Law Vision nel software.

Fare doppio clic sull'icona davi, selezionare nuovo progetto, quindi selezionare PIV. Nella barra degli strumenti, selezionare importa immagini e scegliere importa tramite file numerati. Quindi, nel menu a discesa, individuare la cartella in cui sono archiviate le immagini ecografiche in formato JPEG e fare doppio clic sulla prima immagine del set.

Questo importerà tutte le immagini ecografiche di questo insieme numerato per definire un'area di interesse per l'analisi che includa esclusivamente il liquido. Applicare una maschera per creare la maschera, inserire le coordinate, specificando un'area rettangolare mediante due coppie di punti x e y basati sulle informazioni del file DICOM e sulla conoscenza delle dimensioni dei pixel. Successivamente, nel pannello di controllo principale di dvu, fare clic sulla scheda situata sotto il progetto corrente contenente le immagini importate.

Selezionare la tabella contrassegnata come elaborazione batch. Questa operazione abilita la finestra di elaborazione vettoriale di Davi per l'elaborazione batch a partire dall'elenco delle operazioni, utilizzando l'albero PIV più serie temporale PIV; selezionare i parametri di calcolo vettoriale e scegliere la modalità multipass con una dimensione di interrogazione decrescente da 64 pixel per 64 pixel a 12 pixel per 12 pixel, con un sovrapposizione del 50%. Impostare la restrizione relativa del campo vettoriale su tutti e successivamente la restrizione assoluta del campo vettoriale su cinque pixel. Applicare quindi un filtro mediano per sopprimere il rumore e regolarizzare i campi vettoriali.

Successivamente per l'elaborazione del vettore, selezionare la casella "l'intervallo dati corrisponde all'area mascherata" nel menu dei parametri di calcolo del vettore. Si noti che la selezione ottimale dei parametri di calcolo dei vettori dipende dalla geometria del flusso, dalle proprietà del flusso, dalla risoluzione dell'immagine, dalla densità delle particelle traccianti e dall'analisi quantitativa desiderata del flusso. Una volta impostati tutti i parametri desiderati a sinistra della schermata di elaborazione batch, selezionare il numero totale di immagini da elaborare.

Fare clic su "inizia l'elaborazione". Verrà calcolato il campo di spostamento tra immagini ecografiche successive mediante algoritmi di correlazione incrociata. Per analizzare i dati elaborati, esportare i campi vettoriali UCV da DAVO come file di testo (.txt).

Per fare ciò, sotto il ramo dell'immagine JPEG nella schermata del progetto, selezionare il ramo di spostamento vettoriale. Nella barra degli strumenti, selezionare la scheda esporta. Selezionare il tipo di file.

Chiedere e txt. Scegliere di creare una cartella di esportazione e selezionare esporta. Successivamente, aprire il file in MATLAB eseguendo lo script MATLAB.

I campi vettoriali esportati sono denominati B-X-X-X-X-X in formato TXT, dove X rappresenta un numero crescente da uno a 99, 999. Ogni file contiene quattro colonne di dati, visualizzabili mediante il blocco note: uno, la posizione x del vettore nell'immagine; due, la posizione y del vettore nell'immagine; tre, la componente x dello spostamento o spostamento nella direzione del flusso; e quattro, la componente y dello spostamento, che descrive lo spostamento normale alla parete. Per calcolare il campo vettoriale di velocità U in funzione di X e Y, dove X e Y corrispondono alle coordinate spaziali nell'immagine ecografica, si procede innanzitutto convertendo il campo di spostamento D(X,Y), misurato in pixel, in un campo di spostamento misurato in metri, utilizzando il parametro di scala dell'immagine M, espresso in metri per pixel.

Successivamente, il campo di spostamento viene diviso per la separazione temporale corretta per la velocità di scansione tra le immagini delta T, dove delta T è uguale a uno diviso la frequenza dei fotogrammi espressa in fotogrammi al secondo, più il campo di spostamento diviso per il tempo necessario all’immagine ecografica per scansionare l’intera larghezza dell’immagine. In sintesi, U di X e Y è uguale a M volte D di X e Y diviso delta T. DICOM memorizza intrinsecamente una struttura di file che fornisce le informazioni necessarie per calcolare il parametro di scala dell’immagine M e la separazione temporale corretta per la velocità di scansione. Nel presente studio, delta T, M è uguale a 77 micron per pixel, FPS è uguale a 49,5 e B è uguale a 25.047 pixel al secondo.

Infine, calcolare i campi vettoriali di velocità medi d'insieme insieme ai profili normali della velocità media e di ogni altra grandezza di flusso di interesse. Per dimostrare l'utilità della EPIV e per valutare l'incertezza della misura, sono stati acquisiti come descritto in questo video i campi istantanei bidimensionali di velocità in un flusso laminare all'interno di un tubo; questo grafico vettoriale istantaneo mostra i vettori di velocità ogni quarta colonna, mentre la mappa di contorno colorata di sfondo corrisponde al modulo della velocità. La posizione spaziale bidimensionale del vettore di velocità è indicata da D/D e X/D, dove D è la posizione radiale misurata dalla parete superiore.

D è il diametro del tubo, e X è la posizione nella direzione del flusso misurata a partire dall'ingresso del tubo. La forma parabolica apparente dei vettori di velocità lungo le colonne indica che le misurazioni sono coerenti con il profilo di velocità atteso per un flusso in un tubo. Il grafico dei vettori ottenuto mediante media d'insieme, calcolato facendo la media di 1000 grafici vettoriali istantanei, fornisce una rappresentazione del campo di velocità medio.

Questo inoltre mediarrà gli errori di rumore casuale nei campi vettoriali istantanei. I vettori di velocità sono principalmente nella direzione della corrente. Le velocità massime si verificano lungo l'asse del tubo.

Le velocità diminuiscono a zero alle pareti del tubo e il flusso è approssimativamente simmetrico; qui è mostrato il profilo medio della velocità nella direzione del flusso, ottenuto mediando lungo le righe in direzione orizzontale la rappresentazione vettoriale media del campo. È inoltre mostrato il profilo di velocità medio previsto per un flusso laminare in un tubo. Considerando le condizioni sperimentali.

L'accordo tra le misurazioni EPIV e il profilo atteso di higgin pozo è migliore vicino alla linea centrale del tubo e peggiore vicino alle pareti del tubo. Le grandi differenze vicino alla parete sono probabilmente dovute alla forte riflessione e rifrazione delle onde ultrasoniche sulla superficie curva della parete del tubo, che generano alte intensità dell'immagine in queste regioni; le elevate intensità alla parete oscurano le intensità delle particelle, portando a errori di misurazione. Con lo sviluppo di questa tecnica, i ricercatori che studiano la dinamica dei fluidi in sistemi di flusso ingegnerizzati o biologici possono ora acquisire le variazioni spaziali e temporali del campo di velocità in fluidi opachi alla luce o attraverso geometrie opache alla luce.

Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione del funzionamento dell'EPIV, delle sue limitazioni e di come costruire e utilizzare un sistema EPIV mediante un apparecchio ecografico commerciale.