PIV血流场显示测速技术

　　引 言

　　心血管移植后的大多数的并发症都跟血液的流体动力学特征以及血液与不同的移植材料的相互作用有关。因此，判断血液的流动特征对诊断移植效果起着 重要作用。通常用不同的吻合角进行旁路搭桥后，所产生的血管内的内膜增生情况是不同的。血液流场测试系统可以获取不同吻合角条件、不同内径、不同植入血管 种类下进行旁路搭桥后实验血管段内血液流场结构。分析不同条件下血液流场的结构与内膜增生的厚度和位置的关系，可以为搭桥方法等的研究提供依据。评定血液 流场结构的参数主要有速度场、涡量场等。获得血流的速度场成为其中的关键。其中速度场主要包括血流速度的大小和方向。目前流行的流速测量技术有两大类：多 普勒测速技术和粒子图像测速技术(PIV)。这种技术不足的地方就是对出射波的强度有较高的要求，并且周围环境的运动物体会对测量结果的精度造成影响。而 且由于是基于多普勒效应的血流测量方法，这种方法必须检测回波信号的频移，对电路要求十分严格。同时测量精度受到声波方向和血流方向间夹角θ 的影响，并且难于测量低速血流。而且由于要固定取样线和取样点逐一测量和记录后才可以绘出速度场，难于做到血流全流场的瞬态测量。因此在实验中选取 PIV技术进行研究。

　　1 粒子图像测速技术(PIV)基本原理

　　PIV 技术是随着快速发展的图像处理技术而发展起来的全流场速度测试技术。对认识复杂流动像湍流、非定常流等提供了有效的测量手段。近几十年来, PIV技术受到国内外的广泛重视，它有力地推动了力学、光学、声学等领域内科学研究的进展。其基本原理是利用撒播在流体中的示踪粒子对流体的跟随性，通过 测量示踪粒子的运动来间接测量流场速度场。如果相邻 t 两时刻的流场中一个示踪粒子在二维平面上的位移变化分别为 x, y 如图1。那么该粒子所在位置的流速可以表示为

　　为了获得各时刻的粒子图像，就需要在流场中加入能有效散射光线并能正确地跟随流体流动的示踪粒子，并且利用激光片光源照射含有示踪粒子的流场， 用高速摄像机记录粒子图像信息。再对粒子图像处理(通常是判定一小块区域内粒子的平均位移或判定每一粒子的位移)，就可以最终获得流体速度场[4]。由于 日益精确的图像传感技术和数据处理技术，PIV 显示出了强大的威力，其空间分辨力已达毫米量级，精度可达0.2%。目前该方法仍在研究中。PIV技术相对于多普勒测速技术的优点是它可以在同一时刻记录 下整个测量平面的有关信息从而可以获得流动的瞬时全流场速度并且可以获得相对高的空间分辨力。在国外PIV流场测试技术已成功地用于不同心血管模型包括动 脉血管分岔模型的流场研究。例如 w.l.lim和 w.t.chew.就成功地把 PIV技术应用于猪的大动脉的试验测量中[1]。然而目前国内很多研究机构并没有将 PIV流场测试技术应用于生命科学的研究中。我们现在所作的就是尝试把 PIV技术应用于生物体血液流场的测量中，通过对血流速度分布的分析可以为相关的生物医学研究提供实际的数据，促进生命科学的发展。