Echo Particle Image Velocimetry

Celem niniejszego eksperymentu jest uzyskanie dwuwymiarowych, chwilowych pól prędkości w przepływie Hagena-Poiseuille'a, znanym również jako laminarny przepływ w rurze. Wykorzystując metodę obrazowania cząstek za pomocą echa (E-PIV), zaprezentowano pomiary walidacyjne w recyrkulującym przepływie rurkowym mieszaniny wody i gliceryny w proporcji 50:50. Zastosowany tutaj system przepływu w rurze wykorzystuje stały poziom ciśnienia utrzymywany przez pompę akwariową w celu wymuszenia przepływu.

Sonda ultradźwiękowa z przestrajaną wiązką (phased array) zostaje zamocowana do ścianki rury układu przepływowego, a następnie przesyłane są obrazy ultradźwiękowe w trybie B. Do cieczy dodaje się puste w środku szklane kuleczki lub cząstki znacznika, które wiernie odwzorowują ruchy przepływu. Obrazy ultradźwiękowe są następnie pozyskiwane, przesyłane do komputera PC i konwertowane do formatu obrazu kompatybilnego z komercyjnym oprogramowaniem do symetrii obrazowania prędkości cząstek.

Algorytmy korelacji wzajemnej są stosowane do kolejnych obrazów ultrasonograficznych w trybie B w celu obliczenia dwuwymiarowych pól prędkości. Ostatecznie analizowane są pola wektorowe, aby obliczyć interesujące parametry przepływu, takie jak średnia zespołowa naprężenie ścinające oraz wirowość. Chociaż technika ta może dostarczać wiedzy na temat podstawowej dynamiki płynów, może być i jest często wykorzystywana w praktycznych systemach przepływowych, w tym w zastosowaniach biomedycznych, na przykład w przepływach tętniczych lub międzykomorowych.

Nasze trwające eksperymenty z wykorzystaniem upłynnionej biomasy i cieczy skłoniły nas do zainteresowania się tą techniką. Aby przygotować system EP IV, należy rozpocząć od włączenia pomp. Uruchomi to przepływ w rurze recyrkulacyjnej ze stałą prędkością.

Następnie nanieś żel do USG na bazie wody na głowicę ultradźwiękową. Żel minimalizuje straty transmisji wiązki ultradźwiękowej pomiędzy powierzchnią głowicy a rurą. Następnie, korzystając ze specjalnie skonstruowanego uchwytu głowicy z przepustami ściennymi, przymocuj głowicę ultradźwiękową do zewnętrznej ścianki rury i włącz urządzenie do USG.

Po załadowaniu wszystkich systemów na ekranie ultrasonografu pojawi się strumień obrazów w czasie rzeczywistym. Tryb 2D jest ustawieniem domyślnym dla głowicy liniowej w celu przeprowadzenia pomiarów EPIV. Najpierw odważ odpowiednią suchą masę nominalnych pustych szklanych kulek o średnicy 10 mikrometer, tak aby ich końcowe stężenie po dodaniu do układu przepływowego wynosiło około 17 części masy na milion.

Następnie należy pobrać określoną objętość cieczy z basenu i dodać do niej cząsteczki w celu przygotowania stężonego roztworu cząsteczek. Cząsteczki wprowadzone do układu przepływowego będą pełnić rolę środków kontrastowych w badaniu ultrasonograficznym lub cząsteczek znacznikowych. Wprowadź stężony roztwór cząsteczek do systemu ruro przewodów z przepływem recyrkulacyjnym, mieszając go z cieczą w basenach wodnych.

Szklane sfery można następnie obserwować na monitorze ultrasonograficznym. Po kilku minutach szklane sfery zostaną równomiernie rozłożone w całym układzie, dlatego jedną z najtrudniejszych części tej procedury jest uzyskanie wyraźnych obrazów ultrasonograficznych o wysokiej rozdzielczości. Aby zmaksymalizować jakość tych obrazów, dostosowujemy wzmocnienie, punkty ogniskowania oraz zakres dynamiczny w oparciu o a priori szacunki prędkości przepływu.

Następnie optymalizujemy te parametry na bieżąco poprzez analizę obrazów ultradźwiękowych. Za pomocą pokrętła kontroli głębokości na panelu sterowania ultrasonografu ustaw głębokość obrazowania na 3 cm. Następnie, korzystając z pokrętła wzmocnienia 2D, dostosuj całkowite wzmocnienie obrazu, aby zwiększyć jego jasność w taki sposób, by cząstki zarodkowe były wyraźnie widoczne na panelu instrumentu.

Dostosuj suwaki kompensacji wzmocnienia w czasie (TGC), aby stłumić rozproszenie sygnału od ścianek rury oraz skompensować tłumienie sygnału ultradźwiękowego związane z głębokością. Pozwoli to usunąć nadmiar obrazu u góry i u dołu ścianek rury w trybie 2D. Pokrętła na górze panelu sterowania, licząc od lewej do prawej, odpowiadają szerokości, częstotliwości ogniskowania oraz częstotliwości odświeżania klatek.

Użyj tych pokręteł, aby dalej dostroić obraz w celu uzyskania najwyższej możliwej rozdzielczości fizycznej, częstotliwości i liczby klatek na sekundę do analizy. Następnie ustaw częstotliwość pracy głowicy na 10 megahertz oraz liczbę klatek na sekundę na 49.5 frames per second. Należy pamiętać, że te cztery parametry są ze sobą ściśle powiązane.

W konsekwencji, dla danego skanu obrazu ultradźwiękowego, istnieje kompromis między rozdzielczością przestrzenną a czasową. Ze względu na ograniczoną rozdzielczość boczną, szklane kule zostaną rozmyte w kierunku bocznym i będą widoczne na obrazie jako elipsoidy. Po zoptymalizowaniu parametrów należy przystąpić do zbierania danych za pomocą panelu sterowania ultradźwiękami w urządzeniu.

Naciśnij przycisk nowego badania, aby rozpocząć nowy eksperyment. W sekcji pacjenta wpisz „pipe flow” jako nazwisko oraz datę jako imię.

Wpisz numer badania w polu identyfikatora pacjenta. Skanowanie ultradźwiękowe rozpocznie się automatycznie po osiągnięciu zaprogramowanego maksimum od 1000 do 1 500 obrazów. W miarę kontynuowania skanowania rozpocznie się nowa pętla obrazowania.

Koryguj parametry obrazowania do momentu, aż cząstka znacznika będzie ostro widoczna, a w każdym obszarze przesłuchującym znajdzie się około 10 cząstek. Aby zrestartować pętlę rejestracji skanowania, naciśnij przycisk zamrażania (freeze) na panelu sterowania ultrasonografem. Po zarejestrowaniu wystarczającej liczby optymalnych obrazów naciśnij przycisk zamrażania.

Następnie naciśnij przycisk pętli C na panelu sterowania ultrasonografem. Wybierz wszystkie obrazy, aby uwzględnić wszystkie zdjęcia USG w zestawie analizy. Po wybraniu obrazów do analizy naciśnij przycisk zapisu obrazów, aby zapisać wybrany zestaw obrazów ultrasonograficznych.

Po zapisaniu obrazów naciśnij przycisk archiwizacji na panelu sterowania USG. Gdy pojawi się monit, wybierz z małego okna interesującą pętlę synchroniczną (syn loop), aby zapisać ją na lokalnym dysku twardym. Następnie za pomocą kursora myszy wybierz opcję zakończenia badania.

Naciśnij przycisk archiwizacji, a następnie za pomocą kursora myszy wybierz opcję „more”, a następnie „disc management”. Spowoduje to przesłanie zapisanej pętli cyl lub pętli cyl do komputera uruchamiającego oprogramowanie do pomiaru prędkości obrazu cząstek (particle image velocity symmetry) lub PIV. Po przechwyceniu i zapisaniu obrazów, obraz ultradźwiękowy musi zostać przekonwertowany z pliku standardu DICOM (digital imaging communications in medicine) na plik obrazu JPEG (joint photographic experts group) w celu przeprowadzenia analizy.

Użyj skryptu MATLAB uruchamiającego plik DICOM to jpeg.m, aby przekonwertować pliki DICOM do formatu JPEG. Skrypt ten został opracowany wewnętrznie i może zostać pobrany do celów edukacyjnych z adresu internetowego podanego tutaj. Po konwersji pliku uruchom oprogramowanie Davi firmy Law Vision.

Kliknij dwukrotnie ikonę davi, wybierz nowy projekt, a następnie wybierz PIV. Na pasku narzędzi wybierz importuj obrazy i zaznacz importuj poprzez ponumerowane pliki. Następnie w menu rozwijanym zlokalizuj folder, w którym przechowywane są obrazy ultrasonograficzne w formacie JPEG, i kliknij dwukrotnie pierwszy obraz z zestawu.

Operacja ta zaimportuje wszystkie obrazy ultrasonograficzne z tego numerowanego zestawu, aby zdefiniować obszar zainteresowania do analizy obejmujący wyłącznie płyn. Aby utworzyć maskę, należy zastosować funkcję nakładania maski i wprowadzić współrzędne prostokątnego obszaru, używając dwóch punktów współrzędnych x i y na podstawie informacji z pliku DICOM oraz znajomości wymiarów pikseli. Następnie w głównym panelu sterowania dvu należy kliknąć zakładkę znajdującą się pod aktualnym projektem, która zawiera zaimportowane obrazy.

Wybierz tabelę oznaczoną jako batch processing. Umożliwia to otwarcie okna przetwarzania wektorów w programie Davi w celu przetwarzania wsadowego z listy operacji, korzystając z drzewa PIV plus PIV time series. Wybierz parametry obliczania wektorów i zaznacz opcję multipass z malejącym rozmiarem okna przesłuchującego od 64 pixels by 64 pixels do 12 pixels by 12 pixels z nakładaniem 50%. Ustaw względny zakres ograniczenia wektorów (relative vector range restriction) na all, a następnie bezwzględny zakres ograniczenia wektorów (absolute vector range restriction) na pięć pixels. Następnie zastosuj filtr medianowy w celu stłumienia szumów i wygładzenia pól wektorowych.

Następnie, w celu przetworzenia wektorów, w menu parametrów obliczeń wektorowych zaznacz pole wyboru określające, że zakres danych odpowiada obszarowi maskowania. Należy pamiętać, że optymalny dobór parametrów obliczeń wektorowych zależy od geometrii przepływu, właściwości przepływu, rozdzielczości obrazu, gęstości cząstek znacznika oraz zamierzonego ilościowego sposobu analizy przepływu. Po ustawieniu wszystkich pożądanych parametrów w lewej części ekranu przetwarzania wsadowego, wybierz całkowitą liczbę obrazów do przetworzenia.

Kliknij przycisk rozpoczęcia przetwarzania. Spowoduje to obliczenie pola przemieszczeń pomiędzy kolejnymi obrazami ultradźwiękowymi przy użyciu algorytmów korelacji wzajemnej. Aby przeanalizować przetworzone dane, wyeksportuj pola wektorowe UCV z programu DAVO do plików tekstowych txt.

Aby to zrobić, na ekranie projektu w gałęzi obrazu JPEG należy wybrać gałąź przesunięcia wektorowego (vector displacement). Na pasku narzędzi wybierz zakładkę eksportu. Następnie wybierz typ pliku.

Poproś o plik tekstowy. Wybierz opcję utworzenia folderu eksportu, a następnie wybierz eksportuj. Następnie otwórz plik w programie MATLAB, uruchamiając skrypt MATLAB.

Wyeksportowane pola wektorowe są nazwane B-X-X-X-X-X do TXT, gdzie X reprezentuje liczbę rosnącą od 1 do 99 999. Każdy plik zawiera cztery kolumny danych, które można przeglądać w notatniku: pierwsza to współrzędna X wektora na obrazie, druga to współrzędna Y wektora na obrazie, trzecia to składowa X przemieszczenia lub przemieszczenie wzdłuż strumienia, a czwarta to składowa y przemieszczenia, opisująca przemieszczenie prostopadłe do ścianki. Aby obliczyć pole wektorów prędkości U jako funkcję X i Y, gdzie X i Y odpowiadają współrzędnym przestrzennym na obrazie ultrasonograficznym, należy najpierw przekonwertować pole przemieszczeń D w funkcji X i Y mierzone w pikselach na pole przemieszczeń mierzone w metrach, korzystając z parametru skalowania obrazu M podanego w jednostkach metra na piksel.

Następnie pole przemieszczenia dzieli się przez skorygowany o częstotliwość odświeżania odstęp czasowy między obrazami delta T, gdzie delta T jest równe odwrotności częstotliwości klatek podanej w klatkach na sekundę, plus pole przemieszczenia podzielone przez czas potrzebny na przesunięcie obrazu ultradźwiękowego przez szerokość obrazu. Podsumowując, U z X i Y równa się M razy D z X i Y podzielone przez delta T. Format DICOM z natury przechowuje strukturę pliku, która dostarcza informacji niezbędnych do obliczenia parametru skalowania obrazu M oraz skorygowanego o częstotliwość odświeżania odstępu czasowego delta T. W niniejszym badaniu M równa się 77 µm na piksel, FPS równa się 49.5, a B równa się 25 047 pikseli na sekundę.

Na koniec oblicz wektorowe pola prędkości uśrednione zespołowo oraz profile normalne średniej prędkości i wszelkich innych interesujących nas wielkości przepływu. Aby zademonstrować użyteczność EPIV i ocenić niepewność pomiaru, pozyskano dwuwymiarowe, chwilowe pola prędkości w laminarnym przepływie w rurze zgodnie z opisem w tym filmie; ten chwilowy wykres wektorowy przedstawia wektory prędkości co czwartą kolumnę, a tło w postaci mapy konturowej odpowiada wartości prędkości. Dwuwymiarowa lokalizacja przestrzenna wektora prędkości jest oznaczona jako D/D oraz X/D, gdzie D to pozycja radialna mierzona od górnej ścianki.

D to średnica rury, a X to pozycja wzdłuż strumienia mierzona od wlotu do rury. Pozorna paraboliczna forma wektorów prędkości wzdłuż kolumn wskazuje, że pomiary są zgodne z oczekiwanym profilem prędkości dla przepływu w rurze. Wykres wektorów uśrednionych zespołowo, obliczony poprzez uśrednienie 1000 chwilowych wykresów wektorowych, stanowi reprezentację średniego pola prędkości.

Pozwoli to również na uśrednienie błędów wynikających z szumu losowego w chwilowych polach wektorowych. Wektory prędkości są skierowane przede wszystkim wzdłuż strumienia. Najwyższe prędkości występują w linii środkowej rury.

Prędkości spadały do zera przy ściankach rury, a przepływ jest w przybliżeniu symetryczny; przedstawiono tutaj średni profil prędkości wzdłuż rury w funkcji promienia, uzyskany poprzez uśrednienie zbiorowego wykresu wektorowego wzdłuż rzędów w kierunku poziomym. Przedstawiono również oczekiwany średni profil prędkości dla laminarnego przepływu w rurze, biorąc pod uwagę warunki eksperymentalne.

Zgodność pomiędzy pomiarami EPIV a oczekiwanym profilem Higgina-Pozo jest największa w pobliżu osi rury i najmniejsza w pobliżu jej ścianek. Duże różnice w pobliżu ścianki wynikają prawdopodobnie z silnego odbicia i załamania fal ultradźwiękowych na zakrzywionej powierzchni ścianki rury, co powoduje wysoką intensywność obrazu w tych obszarach; wysokie natężenia przy ściance przesłaniają intensywność cząstek, prowadząc do błędów pomiarowych. Dzięki opracowaniu tej techniki badacze zajmujący się dynamiką płynów w technicznych lub biologicznych układach przepływowych mogą teraz pozyskiwać czasowo-przestrzenne zmiany pola prędkości w płynach nieprzezroczystych optycznie lub przez geometrie nieprzezroczyste optycznie.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat działania metody EPIV, jej ograniczeń oraz sposobu budowy i obsługi systemu EPIV z wykorzystaniem komercyjnego urządzenia do ultrasonografii.