Echo Particle Image Velocimetry

Het doel van dit experiment is het verkrijgen van tweedimensionale, momentane snelheidsvelden in een Hagen-Poiseuille-stroming, ook wel bekend als laminaire pijpstroom. Met behulp van echo particle image velocimetry (E-PIV) worden validatiemetingen gedemonstreerd in een recirculerende pijpstroom van een 50:50 mengsel van water en glycerine. Het hier gebruikte pijpstroomsysteem maakt gebruik van een constante hydraulische drukhoogte, in stand gehouden door een aquariumpomp, om de stroming aan te drijven.

Een phased array ultrasone probe is gemonteerd op de pijpwand van het stroomsysteem en B-modus ultrasone beelden worden gestreamd. Het fluïdum is voorzien van holle glasparels of tracerdeeltjes die de bewegingen van de stroming nauwkeurig volgen. Ultrasone beelden worden vervolgens verkregen, overgebracht naar een pc en geconverteerd naar een beeldformaat dat compatibel is met de commerciële particle image velocimetry-software.

Cross-correlatie-algoritmen worden toegepast op opeenvolgende ultrasound B-mode beelden om tweedimensionale snelheidsvelden te berekenen. Uiteindelijk worden de vectorvelden geanalyseerd om relevante stromingsgrootheden te bepalen, zoals de gemiddelde schuifspanning van het ensemble en de vorticiteit. Hoewel deze techniek inzicht kan bieden in de basisbeginselen van de vloeistofdynamica, kan deze worden en wordt zij vaak gebruikt in praktische stromingssystemen, waaronder biomedische toepassingen, zoals arteriële of interventriculaire stromingen.

Onze lopende experimenten met vloeibare biomassa en vloeistoffen zijn de reden waarom we geïnteresseerd waren in deze techniek. Om het EP IV-systeem op te stellen, begint u met het inschakelen van de pompen. Hiermee wordt de recirculerende pijpstroom met een constante snelheid gestart.

Breng vervolgens een wateroplosbare topische gel aan op de echoprobe. De gel minimaliseert het transmissieverlies van de echostraal tussen het oppervlak van de probe en de pijp. Bevestig daarna de echoprobe aan de buitenwand van de pijp met behulp van een speciaal geconstrueerde probehouder met door-de-wand pijpkoppelingen en schakel het echo-apparaat in.

Zodra alle systemen zijn geladen, verschijnt er een livestream van beelden op het echoscherm. De 2D-modus is de standaardinstelling voor de lineaire probe om EPIV-metingen uit te voeren. Weeg eerst het juiste droge gewicht aan nominale 10 micrometer holle glasparels af, zodat hun uiteindelijke concentratie na toevoeging aan het stroomsysteem ongeveer 17 weight parts per million bedraagt.

Extraheer vervolgens een volume vloeistof uit het reservoir en voeg de deeltjes aan de vloeistof toe om een geconcentreerde deeltjesoplossing te vormen. De deeltjes zullen, wanneer ze aan het stroomsysteem worden toegevoegd, dienen als echocontrastmiddelen of tracerdeeltjes. Voeg de geconcentreerde deeltjesoplossing toe aan het recirculerende pijpstroomsysteem door deze in de waterreservoirs te roeren.

De glazen bolletjes kunnen vervolgens op de echografiemonitor worden bekeken. Na enkele minuten zullen de glazen bolletjes gelijkmatig over het systeem verspreid zijn. Een van de moeilijkste onderdelen van deze procedure is het verkrijgen van heldere echobeelden met een hoge resolutie. Om de kwaliteit van deze beelden te maximaliseren, passen we de gain, de brandpunten en het dynamisch bereik aan op basis van voorafgaande schattingen van de stroomsnelheid.

We optimaliseren deze parameters verder gaand door analyse van de echobeelden. Gebruik de knop voor dieptecontrole op het bedieningspaneel van het echografieapparaat om de beelddiepte in te stellen op drie centimeter. Pas vervolgens met de 2D-gainknop de totale beeldversterking aan om de helderheid van het beeld te verhogen, zodat de zaadpartikels duidelijk zichtbaar zijn op het instrumentenpaneel.

Pas de schuifregelaars voor tijdversterkingscompensatie (time gain compensation) aan om verstrooiing door de buiswanden te dempen en om dieptegerelateerde demping van het ultrasone signaal te compenseren. Hierdoor wordt overtollig beeld aan de boven- en onderkant van de buiswanden in 2D-modus verwijderd. De knoppen bovenop het bedieningspaneel corresponderen van links naar rechts met breedte, focusfrequentie en beeldsnelheid.

Gebruik deze knoppen om het beeld verder aan te passen om de hoogst mogelijke fysieke resolutie, frequentie en framerate voor analyse te bereiken. Stel vervolgens de werkfrequentie van de probe in op 10 megahertz en zet de framerate op 49,5 frames per seconde. Let op dat deze vier parameters inherent aan elkaar gekoppeld zijn.

Bijgevolg is er voor een gegeven echografische scan een afweging tussen de ruimtelijke en temporele resolutie. Vanwege de beperkte laterale resolutie zullen de glazen bolletjes in de laterale richting worden uitgesmeerd en in het beeld verschijnen als ellipsoïden. Zodra de parameters zijn geoptimaliseerd, is het tijd om gegevens te verzamelen via het echografie-bedieningspaneel op het instrument.

Druk op de knop voor een nieuw onderzoek om een nieuw experiment te starten. Voer bij patiënt 'pipe flow' in als achternaam en de datum als voornaam.

Voer het testnummer in het veld voor de patiënt-ID in. De echografie begint vervolgens automatisch zodra het vooraf ingestelde maximum van 1000 tot 1.500 beelden is bereikt. Er begint een nieuwe scanlus zodra het scannen wordt voortgezet.

Pas de beeldparameters aan totdat het zaadpartikel scherp in beeld is met ongeveer 10 partikels per interrogatiegebied. Om de scanregistratiecyclus opnieuw te starten, drukt u op de freeze-knop op het bedieningspaneel van het echografieapparaat. Zodra er een voldoende aantal ideale beelden is verkregen, drukt u op de freeze-knop.

Druk vervolgens op de C-loop-knop op het bedieningspaneel van het echografieapparaat. Selecteer alle afbeeldingen om alle echografiebeelden in de analyseset op te nemen. Wanneer de beelden voor analyse zijn geselecteerd, druk dan op de knop voor het opslaan van afbeeldingen om de geselecteerde set echografiebeelden op te slaan.

Zodra de beelden zijn opgeslagen, drukt u op de archiveringsknop op het bedieningspaneel van het echografieapparaat. Selecteer wanneer daarom wordt gevraagd de gewenste syn loop uit het kleine venster om deze op de lokale harde schijf op te slaan. Gebruik vervolgens de muisaanwijzer om 'onderzoek beëindigen' te selecteren.

Druk op de archiveerknop en gebruik de muisaanwijzer om eerst 'more' te selecteren en vervolgens 'disc management'. Hiermee worden de opgeslagen cyl-loop of cyl-loops overgedragen naar de pc waarop de particle image velocity symmetry of PIV-software wordt uitgevoerd. Zodra de beelden zijn vastgelegd en opgeslagen, moet het echobeeld worden geconverteerd van een digital imaging communications in medicine of DICOM-bestand naar een joint photographic experts group of JPEG-afbeelding voor analyse.

Gebruik een MATLAB-script dat DICOM to jpeg dot m uitvoert om de DICOM-bestanden naar JPEGs te converteren. Dit script is intern ontwikkeld en kan voor educatieve doeleinden worden verkregen via het hier getoonde webadres. Zodra het bestand is geconverteerd, opent u de Davi-software van Law Vision in het programma.

Dubbelklik op het davi-icoon, selecteer 'nieuw project' en kies vervolgens voor PIV. Selecteer in de werkbalk 'afbeeldingen importeren' en kies voor 'importeren via genummerde bestanden'. Zoek vervolgens in het uitklapmenu de map waarin de JPEG-echtobeelden zijn opgeslagen en dubbelklik op de eerste afbeelding van de reeks.

Hiermee worden alle echobeelden in deze genummerde set geïmporteerd om een regio van belang (region of interest) voor analyse te definiëren die alleen het vocht omvat. Pas een masker toe om het masker te maken; voer de coördinaten in, een rechthoekig gebied met behulp van twee x- en y-coördinaatpunten op basis van de informatie uit het DICOM-bestand en kennis van de pixelafmetingen. Klik vervolgens in het hoofdbedieningspaneel in dvu op het tabblad onder het huidige project dat de geïmporteerde beelden bevat.

Selecteer de tabel met het label batchverwerking. Hiermee wordt het venster voor vectorverwerking van Davi geactiveerd voor batchverwerking vanuit de operatieslijst met behulp van de PIV plus PIV-tijdserie boom. Selecteer de vectorberekeningsparameters en kies multipass met een afnemende interrogatiegrootte van 64 pixels bij 64 pixels tot 12 pixels bij 12 pixels met een overlap van 50%. Stel de relatieve vectorbereikbeperking in op 'all' en vervolgens de absolute vectorbereikbeperking op vijf pixels. Pas daarna een mediaanfilter toe om ruis te onderdrukken en de vectorvelden te egaliseren.

Controleer vervolgens voor de vectorverwerking of het vakje 'data range equals use masked area' is aangevinkt in het menu voor vectorberekeningsparameters. Let op dat de optimale selectie van vectorberekeningsparameters afhankelijk is van de stromingsgeometrie, stromingseigenschappen, beeldresolutie, dichtheid van de tracerdeeltjes en de gewenste kwantitatieve stromingsanalyse. Zodra alle gewenste parameters aan de linkerzijde van het scherm voor batchverwerking zijn ingesteld, selecteert u het totale aantal beelden dat moet worden verwerkt.

Klik op start processing. Hiermee wordt het verplaatsingsveld tussen opeenvolgende echobeelden berekend met behulp van cross-correlatiealgoritmen. Exporteer de UCV-vectorvelden vanuit DAVO als txt-bestanden om de verwerkte gegevens te analyseren.

Om dit te doen, selecteert u in het projectscherm onder de JPEG-afbeeldebranch de vectorverplaatsingsbranch. Selecteer in de werkbalk het tabblad exporteren. Selecteer het bestandstype.

Vraag het txt-bestand op. Kies voor het maken van een exportmap en selecteer exporteren. Open vervolgens het bestand in MATLAB door het MATLAB-script uit te voeren.

De geëxporteerde vectorvelden zijn benoemd als B-X-X-X-X-X.txt, waarbij X een oplopend getal van 1 tot 99.999 vertegenwoordigt. Elk bestand bevat vier datakolommen, die kunnen worden bekeken met Kladblok: één voor de x-locatie van de vector in het beeld, twee voor de y-locatie van de vector in het beeld, drie voor de x-component van de verplaatsing of stroomwaartse verplaatsing, en vier voor de y-component van de verplaatsing, welke de wandnormale verplaatsing beschrijft. Om het snelheidsvectorveld U te berekenen als functie van X en Y, waarbij X en Y overeenkomen met de ruimtelijke coördinaten in het echobeeld, wordt eerst het verplaatsingsveld D van X en Y, gemeten in pixels, omgezet naar een verplaatsingsveld gemeten in meters met behulp van de beeldschalingsparameter M, gegeven in meters per pixel.

Vervolgens wordt het verplaatsingsveld gedeeld door de sweep-gecorrigeerde temporele scheiding tussen beelden delta T, waarbij delta T gelijk is aan één gedeeld door de beeldsnelheid uitgedrukt in beelden per seconde, plus het verplaatsingsveld gedeeld door de tijd die het ultrasoundbeeld nodig heeft om over de beeldbreedte te scannen. Samenvattend is U van X en Y gelijk aan M maal D van X en Y gedeeld door delta T. DICOM slaat inherent een bestandstructuur op die de informatie biedt die nodig is om de beeldschalingsparameter M en de sweep-gecorrigeerde temporele scheiding te berekenen. Delta T in de huidige studie M equals 77 microns per pixel FPS equals 49,5 en B equals 25.047 pixels per seconde.

Bereken ten slotte de gemiddelde ensemble-snelheidsvectorvelden samen met normale profielen van de gemiddelde snelheid en eventuele andere relevante stromingsvariabelen. Om het nut van EPIV aan te tonen en de meetonzekerheid te beoordelen, werden tweedimensionale, momentane velden van de snelheid en laminaire pijpstroming verkregen zoals beschreven in deze video; deze momentane vectorplot toont snelheidsvectoren voor elke vierde kolom, en de achtergrondkleurenkaart correspondeert met de grootte van de snelheid. De tweedimensionale ruimtelijke positie van de snelheidsvector wordt aangeduid door D over D en X over D, waarbij D de radiale positie is gemeten vanaf de bovenwand.

D is de diameter van de buis en X is de stroomopwaartse positie gemeten vanaf de ingang van de buis. De schijnbare parabolische vorm van de snelheidsvectoren langs de kolommen geeft aan dat de metingen consistent zijn met het verwachte snelheidsprofiel voor stroming in een buis. De ensemble-gemiddelde vectorplot, berekend door het gemiddelde te nemen over 1000 instantane vectorplots, geeft een weergave van het gemiddelde snelheidsveld.

Het zal daarnaast willekeurige ruisfouten in de momentane vectorenvelden middelen. De snelheidsvectoren zijn hoofdzakelijk in stroomopwaartse richting. De hoogste snelheden treden op bij de middellijn van de pijp.

De snelheden namen af tot nul aan de buiswanden en de stroming is ongeveer symmetrisch; hier is het gemiddelde stroomsgewijze snelheidsprofiel langs de buisradius weergegeven, verkregen door het ensemble-gemiddelde vectordiagram langs de rijen in de horizontale richting te middelen. Tevens is het verwachte gemiddelde snelheidsprofiel voor laminaire buisstroming getoond, gegeven de experimentele omstandigheden.

De overeenstemming tussen de EPIV-metingen en het verwachte Higgin-Pozo-profiel is het grootst nabij de middellijn van de pijp en het kleinst nabij de pijpwanden. De grote verschillen nabij de wand zijn waarschijnlijk te wijten aan sterke reflectie en refractie van de ultrasone golven op het gekromde oppervlak van de pijpwand, wat hoge beeldintensiteiten in deze regio's veroorzaakt; de hoge intensiteiten bij de wand maskeren de intensiteiten van de deeltjes, wat leidt tot meetfouten. Met de ontwikkeling van deze techniek kunnen onderzoekers die vloeistofdynamica in technische of biologische stroomsystemen bestuderen, nu ruimtelijk-temporele variaties van het snelheidsveld verkrijgen in optisch ondoorzichtige vloeistoffen of door optisch ondoorzichtige geometrieën.

Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe EPIV werkt, wat de beperkingen ervan zijn en hoe u een EPIV-systeem bouwt en bedient met behulp van een commercieel echografieapparaat.