Le microbolle di cavitazione sono immagini utilizzando una telecamera ad alta velocità collegata a un obiettivo zoom. Viene spiegato il setup sperimentale e l’analisi delle immagini viene utilizzata per calcolare l’area della cavitazione. L’analisi dell’immagine viene eseguita utilizzando ImageJ.
Viene presentata una tecnica sperimentale e di analisi delle immagini per l’imaging delle bolle di cavitazione e il calcolo della loro area. La tecnica sperimentale di imaging ad alta velocità e il protocollo di analisi delle immagini qui presentati possono essere applicati anche per l’imaging di bolle microscopiche in altri campi della ricerca; pertanto, ha una vasta gamma di applicazioni. Applichiamo questo alla cavitazione dell’immagine intorno alle scaler ultrasoniche dentali. È importante utilizzare la cavitazione dell’immagine per caratterizzarla e capire come può essere sfruttata per varie applicazioni. La cavitazione che si verifica intorno alle scaletta ultrasoniche dentali può essere utilizzata come un nuovo metodo di rimozione della placca dentale, che sarebbe più efficace e causerebbe meno danni rispetto alle attuali tecniche di terapia parodonte. Vi presentiamo un metodo per l’imaging delle nuvole di bolle di cavitazione che si verificano intorno alle punte della scala ultrasonica dentale utilizzando una fotocamera ad alta velocità e un obiettivo zoom. Calcoliamo anche l’area della cavitazione utilizzando l’analisi delle immagini di apprendimento automatico. Il software open source viene utilizzato per l’analisi delle immagini. L’analisi delle immagini presentata è facile da replicare, non richiede esperienza di programmazione e può essere modificata facilmente per soddisfare l’applicazione dell’utente.
L’imaging del movimento delle bolle è importante per varie applicazioni perché controlla l’idrodinamica di un sistema. Ci sono molte applicazioni in cui questo può essere utile: nei reattori a lettofluido 1,2, o per la pulizia con bolle di cavitazione3,4. Lo scopo dell’imaging delle bolle è quello di capire di più sulla dinamica delle bolle o sulla direzione e il movimento di una nuvola di bolle. Questo può essere fatto attraverso l’osservazione di strutture immagine e anche utilizzando l’analisi delle immagini per ottenere informazioni quantitative, come la dimensione delle bolle.
Le bolle di cavitazione sono entità gas o vapore che si verificano in un fluido quando la pressione scende al di sotto del valore di pressionesaturo 5. Possono verificarsi quando un campo acustico viene applicato a un fluido a frequenze ultrasoniche. Crescono ripetutamente e collassano, e al momento del collasso possono rilasciare energia sotto forma di micro-getti ad alta velocità e onded’urto 6,7. Questi possono spostare le particelle su una superficie attraverso le forze di taglio e causare la pulizia della superficie8. Le bolle di cavitazione sono oggetto di indagine per la pulizia della superficie in diversi settori, ad esempio per semiconduttori, alimenti e pulizia delleferite 9,10,11,12. Potrebbero anche essere utilizzati per pulire la placca dentale da denti e biomateriali come impiantidentali 12,13. La cavitazione si verifica intorno a strumenti dentali attualmente utilizzati come scaler ad ultrasuoni e file endodontici e mostra il potenziale come un ulteriore processo di pulizia con questistrumenti 14.
L’oscillazione delle bolle di cavitazione avviene in pochi microsecondi e quindi è necessaria una telecamera ad alta velocità per catturare il loro movimento mediante l’imaging a migliaia di fotogrammi al secondo8. Dimostriamo un metodo di imaging della cavitazione a microbolle intorno alle scalette ultrasoniche dentali. L’obiettivo è capire come la cavitazione varia intorno a diversi squame ad ultrasuoni, in modo che possa essere ottimizzata come un nuovo modo per pulire la placca dentale.
I metodi precedenti utilizzati per studiare la cavitazione includono l’audiomiluminescenza, che utilizza il luminolo per rilevare dove si è verificata lacavitazione 15,16. Tuttavia, questa è una tecnica indiretta e non è in grado di visualizzare le bolle di cavitazione in tempo reale. Pertanto, non è in grado di determinare con precisione esattamente dove accade sullo strumento, e nessuna informazione può essere acquisita sulla dinamica della bolla, a meno che non sia combinato con altre tecniche di imaging17. L’imaging ad alta velocità può immaginare non solo le bolle di cavitazione che crescono e collassano, ma anche il tipo di cavitazione che si verifica: nuvole di cavitazione, microstreamer e micro-getti6,7,18. Questi forniscono ulteriori informazioni su come la cavitazione può pulire le superfici.
Vi presentiamo un metodo di imaging microbolle di cavitazione utilizzando una telecamera ad alta velocità e calcolando l’area media della cavitazione che si verifica. Questo metodo è dimostrato utilizzando un esempio di cavitazione che si verifica intorno a diversi suggerimenti di scaler ultrasonico dentale, anche se le fasi sperimentali e di analisi delle immagini possono essere utilizzate per altre applicazioni, ad esempio per l’imaging di altre macro e microbolle.
La tecnica descritta in questo documento consente l’imaging di microbolle in rapido movimento con alta risoluzione spaziale e temporale. Può potenzialmente beneficiare di una vasta gamma di discipline scientifiche come l’ingegneria chimica, l’odontoiatria e la medicina. Le applicazioni ingegneristiche includono l’imaging di bolle di cavitazione per la pulizia delle superfici o per l’imaging di bolle in reattori a letto fluidizzati. Le applicazioni biomediche includono l’imaging della cavitazione intorno a strumenti medici e dentali e la debridement di biofilm di imaging da tessuti duri e molli utilizzando bolle di cavitazione. In questo studio abbiamo dimostrato la tecnica attraverso l’imaging della cavitazione intorno a due diverse punte di scaler ultrasonico dentale. La quantità di cavitazione varia tra le due punte testate in questo studio, con più nuvole di cavitazione osservate intorno all’estremità libera della punta 10P. Questo è stato precedentemente collegato all’ampiezza delle vibrazioni20. I video ad alta velocità mostrano che la punta FSI 1000 ha meno vibrazioni, che è probabile che sia il motivo per cui c’è meno cavitazione intorno a questa punta.
Una limitazione del metodo di analisi delle immagini è che la tecnica di sottrazione dell’immagine per rimuovere l’area del scaler non è completamente accurata perché il scaler sta oscillando e quindi la sottrazione può lasciare alcune aree del scaler falsamente segmentate come bolle. Tuttavia, questo è stato preso in considerazione dalla media dell’area da un gran numero di fotogrammi (n.2000). Questo non sarebbe un problema per le applicazioni in cui l’oggetto da sottrarre è stazionario. Per gli studi in cui l’oggetto in movimento da sottrarre ha una varianza molto più alta, ti consigliamo di sincronizzare i movimenti in entrambi i video prima di sottrarre per ottenere risultati accurati. Nello studio attuale, non abbiamo sincronizzato le oscillazioni, ma poiché la vibrazione era bassa, possiamo supporre che le oscillazioni corrispondano bene l’una all’altra in queste due misurazioni.
La soglia dell’immagine è accurata perché l’illuminazione del campo luminoso fornisce uno sfondo uniforme con un buon contrasto. È fondamentale garantire che lo sfondo sia uniforme e non contenga altri oggetti che potrebbero essere falsamente segmentati. Il metodo di soglie può essere modificato utilizzando altre soglie automatiche in base all’applicazione. La soglia manuale, in cui l’utente imposta il valore di soglia, è anche possibile ma non è consigliata in quanto riduce la riproducibilità dei risultati, poiché utenti diversi selezioneranno valori di soglia diversi.
L’analisi delle immagini è stata utilizzata per molti altri studi sull’imaging delle bolle. Questi utilizzano anche un metodo simile di retroilluminazione per ottenere un contrasto ottimale tra le bolle e lo sfondo e soglia per segmentare le bolle21,22,23,24. Il metodo mostrato nello studio attuale può anche essere generalizzato per essere utilizzato per molte diverse applicazioni di imaging a bolle, che non sono limitate solo all’imaging ad alta velocità. L’imaging ad alta velocità è stato utilizzato per le bolle di cavitazione generate in acqua e anche intorno a strumenti come file endodontici e scaler ad ultrasuoni12,25,26,27,28. Ad esempio Rivas et al. e Macedo et al. hanno utilizzato una telecamera ad alta velocità collegata a un microscopio, con illuminazione fornita da una fonte di luce fredda per la pulizia delle immagini con cavitazione, e per la cavitazione dell’immagine intorno a un file endodontico17,29. L’illuminazione di campo luminoso fornisce un maggiore contrasto tra lo sfondo e le bolle, rendendo possibile l’utilizzo di semplici tecniche di segmentazione come la soglia, come dimostrato da Rivas et al. per l’imaging e la quantificazione dell’erosione della cavitazione e della pulizianel tempo 29. L’illuminazione del campo scuro rende più difficile la soglia a causa della maggiore variazione delle scale digrigi 4,30. L’analisi delle immagini è stata utilizzata in altri studi per raccogliere ulteriori informazioni sulle bolle1,2. Vyas et al. ha usato un approccio di apprendimento automatico per segmento bolle di cavitazione intorno a un scaler adultrasuoni 20. Il metodo descritto nel documento attuale è più veloce perché utilizza la soglia semplice, quindi è meno intensivo dal punto di vista computazionale e le bolle che si verificano sopra e sotto il scaler possono essere analizzate. Tuttavia, il metodo di soglia utilizzato nel documento corrente è accurato solo se lo sfondo è uniforme. Se non è possibile ottenere uno sfondo uniforme durante l’imaging, è possibile utilizzare altre tecniche di elaborazione delle immagini, come l’uso della sottrazione di fondo utilizzando un raggio di palla rotante per correggere l’illuminazione irregolare, filtrare utilizzando filtri mediani o gaussiani per rimuovere il rumore o anche utilizzare tecniche basatesull’apprendimento automatico 20,31.
In conclusione, presentiamo un protocollo di imaging e analisi ad alta velocità per l’immagine e il calcolo dell’area di un oggetto microscopico in movimento. Abbiamo dimostrato questo metodo immaginando bolle di cavitazione intorno a una scala ultrasonica. Può essere utilizzato per la cavitazione di imaging intorno ad altri strumenti dentali come i file endodontici e può essere facilmente adattato per altre applicazioni di imaging bolla non dentale.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori sono grati per il finanziamento del Engineering and Physical Sciences Research Council EP/P015743/1.
0.25x attachment | Navitar | 1-50011 | |
12x with 12mm fine focus Long distance microscope zoom lens |
Navitar | 1-50486 | |
2x adaptor with f mount | Navitar | 1-62922 | |
Cavitron Plus Ultrasonic Scaler | Dentsply Sirona | 8184003 | |
Cavitron Ultrasonic Insert FSI 1000FSI 1000 | Dentsply Sirona | UCAFTHD | |
Fibre light guide. 8mm fibre bundle 1500mm length. Focussing lens assembly for Hayashi light, 1/4"-20 tripod thread for mounting. |
Hayashi | LGC1- 8L1500 |
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Geared head | Manfrotto | MN405 | 7.5kg load capacity |
HDF7010 High-Power LED Endoscope light source. 150W LED provides cold output equivalent to 250W Xenon. |
Hayashi | LA-HDF710 | |
Heavy weight Tripod | Manfrotto | MN475B | Geared centre column, 12kg load capacity |
High Speed Camera | Photron | 103526 | FASTCAM Mini AX200 900K M3 (16GB memory) |
High-Precision Rotation Stage | Thorlabs | PR01/M | |
Laboratory jacks | Camlab | 1194083 | |
Micropositioning sliding plate | Manfrotto | SKU 454 | |
Micropositioning stage 3D | Thorlabs | PT3/M | |
Micropositioning stage rotation | Thorlabs | OCT-XYR1/M | OCT-XYR1/M – XY Stage with Solid Top Plate |
NEWTRON P5 XS Ultrasonic Scaler | Acteon | F62118 | |
Ultrasonic Insert 10P | Acteon | F00253 |