Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.1
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pp.1-8
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2009
Recently microscale biofluid flows have been receiving large attention in various research areas. However, most conventional imaging techniques are unsatisfactory due to difficulties encountered in the visualization of microscale biological flows. Recent advances in optics and digital image processing techniques have made it possible to develop several advanced micro-PIV/PTV techniques. They can be used to get quantitative velocity field information of various biofluid flows from visualized images of tracer particles. In this paper, as new advanced micro-PIV techniques suitable for biofluid flow analysis, the basic principle and typical applications of the time-resolved micro-PIV and X-ray micro-PIV methods are explained. As a 3D velocity field measurement technique for measuring microscale flows, holographic micro-PTV method is introduced. These advanced PIV/PTV techniques can be used to reveal the basic physics of various microscale biological flows and will play an important role in visualizing veiled biofluid flow phenomena, for which conventional methods have many difficulties to analyze.
A micro-PIV(particle image velocimetry) measurement has been conducted to investigate flow fields in such microfluidic devices as microchannels and micronozzle. The present study employs a state-of-art micro-PIV system which consists of epi-fluorescence microscope, 620nm diameter fluorescent seed particles and an 8-bit megapixel CCD camera. Velocity vector fields with a resolution of $6.7\times6.7{\mu}m$ has been obtained, and the attention has been paid on the effect of varying measurement conditions of particle diameter and particle concentration on the resulting PIV results. In this study, the microfluidic elements were fabricated on plastic chips by means of MEMS processes and a subsequent molding process. Flow fields in a variety of microchannels as well as micronozzle have been investigated.
Increase of blood viscosity significantly changes the flow resistance and wall shear stress which are related with cardiovascular diseases. For measurement of blood viscosity, microfluidic method has proposed by monitoring pressure between sample and reference flows in the downstream of a microchannel with two inlets. However, it is difficult to apply this method to unknown flow conditions. To measure blood viscosity under unknown flow conditions, a microfluidic method based on micro particle image velocimetry(PIV) is proposed in this study. Flow rate in the microchannel was estimated by assuming velocity profiles represent mean value along channel depth. To demonstrate the measurement accuracy of flow rate, the flow rates measured at the upstream and downstream of a T-shaped microchannel were compared with injection flow rate. The present results indicate that blood viscosity could be reasonably estimated according to shear rate by measuring the interfacial width and flow rate of blood flow. This method would be useful for understanding the effects of hemorheological features on the cardiovascular diseases.
As a carrier of malaria and sneak of blood, mosquitoes are regarded as an unpleasant insect. However, there are novel phenomena that happen inside a mosquito. Among them, we focused on the blood sucking function of a female mosquito. The main objective of this study was to investigate the mosquito's pumping mechanism in order to resolve the problem encountered when we inject or transport biologic fluids into a micro-chip. To analyze the pumping mechanism, we visualized the blood sucking process inside a female mosquito. Flow characteristics of blood flow in a proboscis were investigated experimentally using a micro-PIV velocity field measurement technique. The anatomical variation of head, thorax, abdomen which work as pumps and valves, was visualized using the syncrotron X-ray micro-imaging technique.
A three-dimensional inlet flow structure inside a microfluidic element has been investigated using a micro-PIV(particle image velocimetry) measurement as well as a numerical analysis. The present study employs a state-of-art micro-PIV system which consists of epi-fluorescence microscope, 620nm diameter fluorescent seed particles and an 8-bit megapixel CCD camera. For the numerical analysis, a commercial software CFD-ACE+(V6.6) was employed for comparison with experimental data. Fixed pressure boundary condition and a 39900 structured grid system was used for numerical analysis. Velocity vector fields with a resolution of $6.7{\times}6.7{\mu}m$ has been obtained, and the attention has been paid on the effect of varying measurement conditions of particle diameter and particle concentration on the resulting PIV results. In this study, the microfluidic elements were fabricated on plastic chips by means of MEMS processes and a subsequent melding process.
The improvement of artificial respiration method has brought about the decrease in mortality of pulmonary diseases patients. Various respiratory curative methods, inclusive of HFOV (High Frequency Oscillatory Ventilation), have been developed for more effectual and less harmful management of acute respiratory failure. However, the mechanism of gas transfer and diffusion in a bronchiole has not yet been clarified in detail. As a first approach to the problem, we measured oscillatory flows in a Y-shaped micro-channels as bronchiole model by micro Particle Image Velocimetry(micro PIV). In order to establish the fundamental technique of PIV measurements on oscillatory air flow in a micro-channel, we used about 500-nm-diameter incense smoke particles, a diode laser, a high speed camera including an objective lens, and a HFOV, which is effective technique for medical care of pulmonary disease patients, especially, infants. The bronchiole model size is that parent tube is $500\{mu}m$ width and $500\{mu}m$ depth, and daughter tubes are $450\{mu}m$ width and $500\{mu}m$ depth. From this study made on the phenomenon of fluid in micro size bronchus branch of a lung, we succeeded to get time series velocity distribution in a micro scale bronchial mode. The experimental results of velocity distribution changing with time obtained by micro PIV can give fundamental knowledge on oscillatory airflow in micro-channel.
This experiment has been carried out to measure the process of droplet formation between water phase fluid(PVA 3%) and organic phase fluid(oil) and vector fields measured by a Dynamic Micro-PIV method in the inside of a droplet while generated. Droplet length controlled by changing flow rate conditions in microchannel. Water-in-oil(W/O) droplets successfully generated at a Y junction and cross microchannel. But oil-in-water(O/W) droplets could not be formed at a Y junction microchannel. That is, PVA 3% flow could not be detached from the PDMS surface and ran parallel with oil flow. When PVA 3% flow rate was constant, droplet length and time period decreased as oil flow rate increased, but droplet frequency increased. When PVA 3% and oil flow rate ratio was constant, droplet length and time period decreased as flow rate increased, but droplet frequency increased. All that case, Standard deviation of droplet formation have less than 5% at averaged droplet length and regular-sized droplets were reproducibly formed.
International Journal of Vascular Biomedical Engineering
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v.1
no.2
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pp.30-35
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2003
Flow characteristics of blood flow in a micro channel were investigated experimentally using a micro-PIV (Particle Image Velocimetry) velocity field measurement technique. The main objective of this study was to understand the real blood flow in micron-sized blood vessels. The Reynolds number based on the hydraulic diameter of micro-channel for deionized (DI) water was about Re=0.34. For each experimental condition, 100 instantaneous velocity fields were captured and ensemble-averaged to get the spatial distributions of mean velocity. In addition, the motion of RBC (Red Blood Cell) was visualized with a high-speed CCD camera. The captured flow images of nano-scale fluorescent tracer particles in DI water were clear and gave good velocity tracking-ability. However, there were substantial velocity variations in the central region of real blood flow in a micro-channel due to the presence of red blood cells.
To investigate the flow related to the mixing, micro PIV measurements were performed in the middle plane of the channel. A passive micro mixer analyzed in this work has been designed in the shape of a three-dimensional microchannel and fabricated with PDMS molding process by KAIST. The mixing performance was evaluated for different flow rates using phenolphthalein and sodium hydroxide solutions. Results show that mixing is enhanced by the increase of flow rate, which yields stronger secondary flows with helical streamlines.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.4
s.247
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pp.314-319
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2006
To analyze in-vivo blood flow characteristics in a chicken embryo, in-vivo experiment was carried out using micro-PIV technique. Because endothelial cells in blood vessels are subject to shear stress of blood flow, it is important to get velocity field information of the placental blood flow. Instantaneous velocity fields of an extraembryonic blood vessel using a high-speed camera and intravital microscope. The flow images of RBCs were obtained with a spatial resolution of $20\times20{\mu}m$ in the whole blood vessels. The mean velocity field data confirm that the blood flow does show non-Newtonian fluid characteristic. The blood in a branched vessel merged smoothly without any flow separation into the main blood vessel with the presence of a slight bump. This in-vivo micro-PIV measurement technique can be used as a powerful tool in various blood flow researches.
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