Эхо Velocimetry Particle Image

Целью данного эксперимента является получение двумерных мгновенных полей скорости в потоке Хагена-Пуазейля, также известном как ламинарный поток в трубе. С помощью эхо-метода визуализации частиц в потоке (E-PIV) демонстрируются валидационные измерения в рециркуляционном потоке в трубе, состоящем из смеси воды и глицерина в соотношении 50:50. Используемая здесь система трубного потока применяет постоянный напор, поддерживаемый аквариумным насосом для обеспечения движения потока.

Фазированный ультразвуковой датчик закрепляется на стенке трубы системы потока, после чего осуществляется потоковая передача ультразвуковых изображений в B-режиме. В жидкость вводятся полые стеклянные сферы или трассирующие частицы, которые точно повторяют движение потока. Затем ультразвуковые изображения регистрируются, передаются на ПК и конвертируются в формат изображений, совместимый с коммерческим программным обеспечением для цифровой трассерной визуализации потоков (PIV).

Алгоритмы взаимной корреляции применяются к последовательным ультразвуковым изображениям в B-режиме для вычисления двумерных полей скорости. В конечном итоге векторные поля анализируются для расчета интересующих показателей потока, таких как усредненное по ансамблю напряжение сдвига и завихренность. Хотя данный метод позволяет получить представление об основах гидродинамики, он может быть использован и часто используется в практических системах потоков, включая биомедицинские приложения, например, при исследовании артериальных или межжелудочковых потоков.

Нас заинтересовала данная методика в связи с проводимыми экспериментами с использованием сжиженной биомассы и жидкостей. Для настройки системы EP IV сначала включите насосы. Это запустит рециркуляцию потока в трубах с постоянной скоростью.

Затем нанесите на ультразвуковой датчик топический гель на водной основе. Гель сводит к минимуму потери при передаче ультразвукового луча между поверхностью датчика и трубой. После этого, используя специально сконструированное крепление для датчика со сквозными трубными фитингами, закрепите ультразвуковой датчик на внешней стенке трубы и включите ультразвуковой аппарат.

После загрузки всех систем на экране ультразвукового сканера появится прямой поток изображений. Для получения измерений EPIV с помощью линейного датчика по умолчанию используется 2D-режим. Сначала отмерьте соответствующий сухой вес полых стеклянных сфер номинальным диаметром 10 микрометров так, чтобы их конечная концентрация при добавлении в систему потока составила около 17 частей на миллион по массе.

Затем отберите определенный объем жидкости из резервуара и добавьте в нее частицы для приготовления концентрированного раствора частиц. Частицы, введенные в систему потока, будут служить ультразвуковыми контрастными веществами или трассерными частицами. Добавьте концентрированный раствор частиц в систему рециркуляционного трубного потока, перемешав его в резервуарах с водой.

Затем стеклянные сферы можно наблюдать на ультразвуковом мониторе. Через несколько минут стеклянные сферы равномерно распределятся по всей системе, поэтому одной из самых сложных частей данной процедуры является получение четких ультразвуковых изображений с высоким разрешением. Чтобы максимально повысить качество этих изображений, мы настраиваем усиление, фокальные точки и динамический диапазон на основе априорных оценок скорости потока.

Далее мы оптимизируем эти параметры в режиме реального времени путем анализа ультразвуковых изображений. С помощью ручки регулировки глубины на панели управления ультразвукового сканера установите глубину изображения на три сантиметра. Затем с помощью ручки усиления 2D отрегулируйте общее усиление изображения, чтобы увеличить его яркость до тех пор, пока частицы-затравки не станут четко видны на панели прибора.

Отрегулируйте ползунки временной усиления компенсации (TGC), чтобы ослабить рассеяние от стенок трубки и компенсировать затухание ультразвукового сигнала, зависящее от глубины. Это позволит устранить избыточный сигнал в верхней и нижней частях стенок трубки в 2D-режиме. Ручки в верхней части панели управления слева направо соответствуют ширине, частоте фокусировки и частоте кадров.

Используйте эти регуляторы для дальнейшей настройки изображения, чтобы достичь максимально возможного физического разрешения, частоты и частоты кадров для анализа. Затем установите рабочую частоту датчика на 10 megahertz и задайте частоту кадров 49.5 frames per second. Обратите внимание, что эти четыре параметра взаимосвязаны.

Следовательно, при сканировании ультразвуковым изображением возникает компромисс между пространственным и временным разрешением. Из-за ограниченного латерального разрешения стеклянные сферы будут размыты в латеральном направлении и будут выглядеть на изображении как эллипсоиды. После оптимизации параметров можно приступать к сбору данных на панели управления ультразвуковым прибором.

Нажмите кнопку «new exam», чтобы начать новый эксперимент. В разделе «patient» введите «pipe flow» в поле фамилии и дату в поле имени.

Введите номер теста в поле ID пациента. Ультразвуковое сканирование начнется автоматически по достижении заданного максимума от 1000 до 1 500 изображений. По мере продолжения сканирования начинается новый цикл сканирования.

Отрегулируйте параметры визуализации до тех пор, пока частица-трассер не окажется в четком фокусе, при этом в каждой зоне анализа должно находиться около 10 частиц. Чтобы перезапустить цикл записи сканирования, нажмите кнопку freeze (заморозка) на панели управления ультразвуковым сканером. После получения достаточного количества оптимальных изображений нажмите кнопку freeze.

Затем нажмите кнопку C loop на панели управления ультразвуковым сканером. Выберите все изображения, чтобы включить все ультразвуковые снимки в набор для анализа. После выбора необходимых изображений нажмите кнопку сохранения изображений, чтобы сохранить выбранный набор ультразвуковых снимков.

После сохранения изображений нажмите кнопку архивации на панели управления ультразвуковым сканером. При появлении соответствующего запроса выберите в маленьком окне интересующий syn-цикл для сохранения на локальный жесткий диск. Затем с помощью курсора мыши выберите команду «завершить исследование» (end exam).

Нажмите кнопку архивации и с помощью курсора мыши выберите сначала «more», а затем «disc management». Это позволит перенести сохраненный цикл или циклы cyl на ПК с установленным программным обеспечением для анализа симметрии скорости частиц (particle image velocity symmetry) или PIV. После захвата и сохранения изображений ультразвуковой снимок необходимо конвертировать из формата DICOM (digital imaging communications in medicine) в формат JPEG (joint photographic experts group) для последующего анализа.

Используйте скрипт MATLAB, запускающий файл DICOM to jpeg.m, для преобразования файлов DICOM в формат JPEG. Данный скрипт был разработан внутри организации; его можно получить в образовательных целях по указанному здесь веб-адресу. После конвертации файла откройте программное обеспечение Davi от Law Vision.

Дважды щелкните по иконке davi, выберите «new project», затем выберите PIV. На панели инструментов выберите «import images», а затем «import via numbered files». Далее в выпадающем меню найдите папку, в которой хранятся ультразвуковые изображения в формате JPEG, и дважды щелкните по первому изображению из набора.

Это позволит импортировать все ультразвуковые изображения из данного пронумерованного набора для определения области интереса (ROI) для анализа, включающей только жидкость. Чтобы создать маску, примените функцию маскирования, введите координаты прямоугольной области, используя две точки координат x и y на основе информации из файла DICOM и данных о размере пикселей. Затем на главной панели управления в dvu нажмите на вкладку под текущим проектом, содержащую импортированные изображения.

Выберите таблицу с надписью batch processing. Это активирует окно обработки векторов в программе Davi для пакетной обработки из списка операций; используя дерево PIV plus PIV time series, выберите расчет параметров векторов и установите режим multipass с уменьшением размера области допроса с 64 pixels by 64 pixels до 12 pixels by 12 pixels при перекрытии 50%. Установите relative vector range restriction на значение all, а затем absolute vector range restriction на пять pixels. После этого примените медианный фильтр для подавления шума и сглаживания векторных полей.

Затем для обработки векторов в меню параметров расчета векторов отметьте флажком пункт «диапазон данных равен использованию маскированной области» (data range equals use masked area). Обратите внимание, что оптимальный выбор параметров расчета векторов зависит от геометрии потока, свойств потока, разрешения изображения, плотности трассирующих частиц и требуемого количественного анализа потока. После установки всех необходимых параметров в левой части экрана пакетной обработки выберите общее количество изображений для обработки.

Нажмите «start processing». Это позволит вычислить поле смещения между последовательными ультразвуковыми изображениями с помощью алгоритмов кросс-корреляции. Чтобы проанализировать обработанные данные, экспортируйте векторные поля UCV из DAVO в виде txt-файлов.

Для этого на экране проекта в ветке JPEG-изображений выберите ветку векторного смещения. На панели инструментов перейдите на вкладку экспорта. Выберите тип файла.

Запросите текстовый файл. Выберите создание папки экспорта и нажмите «export». Затем откройте файл в MATLAB, запустив соответствующий скрипт MATLAB.

Экспортированные векторные поля именуются B-X-X-X-X-X.txt, где X представляет собой число, увеличивающееся от 1 до 99 999. Каждый файл содержит четыре столбца данных, которые можно просмотреть с помощью текстового редактора: первый — координата X вектора на изображении, второй — координата Y вектора на изображении, третий — X-компонента смещения или продольное смещение, и четвертый — Y-компонента смещения, которая описывает смещение по нормали к стенке. Для вычисления векторного поля скорости U как функции от X и Y, где X и Y соответствуют пространственным координатам на ультразвуковом изображении, сначала необходимо преобразовать поле смещения D от X и Y, измеренное в пикселях, в поле смещения, измеренное в метрах, используя параметр масштабирования изображения M, выраженный в м/пиксель.

Затем поле смещения делится на скорректированный с учетом развертки временной интервал между изображениями delta T, где delta T равна величине, обратной частоте кадров, выраженной в кадрах в секунду, плюс поле смещения, деленное на время, за которое ультразвуковое изображение проходит всю ширину кадра. Таким образом, U от X и Y равно M умножить на D от X и Y, деленному на delta T. Стандарт DICOM по определению хранит структуру файла, которая предоставляет информацию, необходимую для расчета параметра масштабирования изображения M и скорректированного с учетом развертки временного интервала delta T. В настоящем исследовании M составляет 77 microns per pixel, FPS равна 49.5, а B составляет 25, 047 pixels per second.

Наконец, вычислите векторные поля усредненной по ансамблю скорости, а также нормальные профили средней скорости и любые другие интересующие параметры потока. Чтобы продемонстрировать эффективность EPIV и оценить неопределенность измерений, были получены двумерные мгновенные поля скорости ламинарного потока в трубе, как описано в данном видео; на этом графике мгновенных векторов показаны векторы скорости в каждой четвертой колонке, а фоновая цветовая контурная карта соответствует модулю скорости. Двумерное пространственное положение вектора скорости обозначается как D/D и X/D, где D — радиальное положение, измеренное от верхней стенки.

D — диаметр трубы, а X — положение по направлению потока, измеренное от входа в трубу. Видимая параболическая форма векторов скорости вдоль столбцов указывает на то, что измерения соответствуют ожидаемому профилю скорости для потока в трубе. График усредненных по ансамблю векторов, рассчитанный путем усреднения 1000 мгновенных векторных диаграмм, представляет собой изображение среднего поля скоростей.

Это также позволит сгладить случайные шумовые ошибки в мгновенных векторных полях. Векторы скорости направлены преимущественно вдоль потока. Наибольшие значения скорости наблюдаются на осевой линии трубы.

Скорость снижалась до нуля у стенок трубы, и поток был примерно симметричным; здесь представлен профиль средней осевой скорости вдоль радиуса трубы, полученный путем усреднения ансамблевого векторного графика по рядам в горизонтальном направлении. Также показан ожидаемый профиль средней скорости для ламинарного потока в трубе с учетом экспериментальных условий.

Соответствие между измерениями EPIV и ожидаемым профилем Хиггина-Позо наиболее выражено вблизи центральной линии трубы и наименее выражено у ее стенок. Значительные расхождения у стенок, вероятно, обусловлены сильным отражением и преломлением ультразвуковых волн на изогнутой поверхности стенки трубы, что приводит к высокой интенсивности изображения в этих областях; высокая интенсивность у стенки маскирует интенсивность частиц, что вызывает ошибку измерения. Благодаря разработке этого метода исследователи, изучающие гидродинамику в технических или биологических потоковых системах, теперь могут получать пространственно-временные изменения поля скоростей в оптически непрозрачных жидкостях или через оптически непрозрачные геометрии.

После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о принципах работы EPIV, ее ограничениях, а также о том, как собрать и эксплуатировать систему EPIV с использованием коммерческого ультразвукового аппарата.