Les microbulles de cavitation sont photographiés à l’aide d’une caméra haute vitesse attachée à une lentille de zoom. La configuration expérimentale est expliquée, et l’analyse d’image est utilisée pour calculer la zone de la cavitation. L’analyse d’image se fait à l’aide d’ImageJ.
Une technique expérimentale et d’analyse d’image est présentée pour l’imagerie des bulles de cavitation et le calcul de leur zone. La technique expérimentale d’imagerie à haute vitesse et le protocole d’analyse d’image présentés ici peuvent également être appliqués pour l’imagerie des bulles microscopiques dans d’autres domaines de recherche; par conséquent, il dispose d’un large éventail d’applications. Nous l’appliquons à la cavitation d’image autour des échellateurs ultrasoniques dentaires. Il est important de l’image cavitation pour le caractériser et de comprendre comment il peut être exploité pour diverses applications. La cavitation se produisant autour des écalaires ultrasoniques dentaires peut être employée comme nouvelle méthode d’enlèvement dentaire de plaque, qui serait plus efficace et causerait moins de dommages que les techniques de thérapie parodontales actuelles. Nous présentons une méthode pour l’imagerie des nuages de bulle de cavitation se produisant autour des bouts d’échelle ultrasonique dentaire utilisant une caméra à grande vitesse et une lentille de zoom. Nous calculons également la zone de cavitation à l’aide de l’analyse d’image d’apprentissage automatique. Le logiciel open source est utilisé pour l’analyse d’images. L’analyse d’image présentée est facile à reproduire, ne nécessite pas d’expérience de programmation et peut être modifiée facilement en fonction de l’application de l’utilisateur.
L’imagerie du mouvement des bulles est importante pour diverses applications car elle contrôle l’hydrodynamique d’un système. Il existe de nombreuses applications où cela peut être utile: dans les réacteurs de lit fluidisés1,2, ou pour le nettoyage avec des bulles de cavitation3,4. Le but des bulles d’imagerie est de mieux comprendre la dynamique des bulles ou la direction et le mouvement d’un nuage de bulles. Cela peut se faire par l’observation des structures imaged et aussi en utilisant l’analyse d’image pour obtenir des informations quantitatives, telles que la taille des bulles.
Les bulles de cavitation sont des entités de gaz ou de vapeur qui se produisent dans un fluide lorsque la pression descend en dessous de la valeur de pression saturée5. Ils peuvent se produire lorsqu’un champ acoustique est appliqué à un fluide à des fréquences ultrasoniques. Ils se développent et s’effondrent à plusieurs reprises, et lors de l’effondrement peut libérer de l’énergie sous la forme de micro-jets à grande vitesse et ondes de choc6,7. Ceux-ci peuvent déloger les particules sur une surface par des forces de cisaillement et provoquer le nettoyage de surface8. Des bulles de cavitation sont à l’étude pour le nettoyage de surface dans différentes industries, telles que pour les semi-conducteurs, les aliments et le nettoyage des plaies9,10,11,12. Ils pourraient également être utilisés pour nettoyer la plaque dentaire des dents et des biomatériaux tels que les implants dentaires12,13. La cavitation se produit autour des instruments dentaires actuellement utilisés tels que les balanceurs ultrasoniques et les fichiers endodontiques et montre le potentiel comme un processus de nettoyage supplémentaire avec ces instruments14.
L’oscillation des bulles de cavitation se produit sur quelques microsecondes et donc une caméra à haute vitesse est nécessaire pour capturer leur mouvement par imagerie à des milliers d’images par seconde8. Nous démontrons une méthode d’imagerie de la cavitation microbulles autour des échellateurs ultrasoniques dentaires. L’objectif est de comprendre comment la cavitation varie selon les échelles ultrasoniques, de sorte qu’elle peut être optimisée comme une nouvelle façon de nettoyer la plaque dentaire.
Les méthodes précédentes utilisées pour étudier la cavitation incluent la sonochemiluminesence, qui utilise le luminol pour détecter où la cavitation s’est produite15,16. Cependant, il s’agit d’une technique indirecte et il n’est pas en mesure de visualiser les bulles de cavitation en temps réel. Par conséquent, il n’est pas en mesure de déterminer avec précision exactement où il se produit sur l’instrument, et aucune information ne peut être obtenue sur la dynamique des bulles, à moins qu’elle ne soit combinée avec d’autres techniques d’imagerie17. L’imagerie à grande vitesse peut imager non seulement les bulles de cavitation qui se développent et s’effondrent, mais aussi le type de cavitation qui se produit : nuages de cavitation, microstreamers et micro-jets6,7,18. Ceux-ci donnent plus d’informations sur la façon dont la cavitation peut nettoyer les surfaces.
Nous présentons une méthode d’imagerie des microbulles de cavitation à l’aide d’une caméra à grande vitesse et le calcul de la zone moyenne de cavitation se produisant. Cette méthode est démontrée à l’aide d’un exemple de cavitation se produisant autour de différents conseils d’échelle ultrasonique dentaire, bien que les étapes expérimentales et d’analyse d’image peuvent être utilisées pour d’autres applications, telles que pour l’imagerie d’autres macro et microbulles.
La technique décrite dans cet article permet l’imagerie de microbulles en mouvement rapide avec une haute résolution spatiale et temporelle. Il peut potentiellement bénéficier à un large éventail de disciplines scientifiques telles que le génie chimique, la dentisterie et la médecine. Les applications techniques comprennent des bulles de cavitation d’imagerie pour le nettoyage des surfaces, ou pour les bulles d’imagerie dans les réacteurs de lit fluidisés. Les applications biomédicales comprennent la cavitation par imagerie autour d’instruments médicaux et dentaires et le débridement des biofilms d’imagerie à partir de tissus durs et mous à l’aide de bulles de cavitation. Dans cette étude, nous avons démontré la technique par l’imagerie cavitation autour de deux extrémités différentes d’échelle ultrasonique dentaire. La quantité de cavitation varie entre les deux pointes testées dans cette étude, avec plus de nuages de cavitation observés autour de l’extrémité libre de la pointe 10P. Ceci a déjà été lié à l’amplitude des vibrations20. Les vidéos à grande vitesse montrent que la pointe FSI 1000 a moins de vibrations, ce qui est susceptible d’être pourquoi il ya moins de cavitation autour de cette pointe.
Une limitation de la méthode d’analyse d’image est que la technique de soustraction d’image pour enlever la zone de l’écalateur n’est pas complètement exacte parce que l’écalateur oscille et donc la soustraction peut laisser certaines zones de l’écalateur faussement segmenté comme bulles. Toutefois, cela a été expliqué en faisant la moyenne de la zone à partir d’un grand nombre de cadres (n=2000). Ce ne serait pas un problème pour les applications où l’objet à soustraire est stationnaire. Pour les études où l’objet mobile à soustraire a une variance beaucoup plus élevée, nous recommandons de synchroniser les mouvements dans les deux vidéos avant de soustraire pour des résultats précis. Dans la présente étude, nous n’avons pas synchronisé les oscillations, mais comme la vibration était faible, nous pouvons supposer que les oscillations correspondent bien l’une à l’autre dans ces deux mesures.
Le seuil d’image est précis parce que l’éclairage brightfield fournit un fond uniforme avec un bon contraste. Il est essentiel de s’assurer que l’arrière-plan est uniforme et ne contient pas d’autres objets qui pourraient être faussement segmentés. La méthode de seuil peut être modifiée à l’aide d’autres seuils automatiques adaptés à l’application. Le seuil manuel, lorsque l’utilisateur définit la valeur seuil, est également possible mais n’est pas recommandé car il réduit la reproductibilité des résultats, puisque différents utilisateurs sélectionneront différentes valeurs de seuil.
L’analyse d’image a été utilisée pour de nombreuses autres études d’imagerie à bulles. Ceux-ci utilisent également une méthode similaire de rétroéclairage pour obtenir un contraste optimal entre les bulles et l’arrière-plan, et le seuil pour segmenter les bulles21,22,23,24. La méthode présentée dans la présente étude peut également être généralisée pour être utilisée pour de nombreuses applications d’imagerie à bulles différentes, qui ne se limitent pas à l’imagerie à haute vitesse. L’imagerie à grande vitesse a été utilisée pour les bulles de cavitation générées dans l’eau et aussi autour d’instruments tels que les fichiers endodontiques et les scalers ultrasoniques12,25,26,27,28. Par exemple, Rivas et coll. et Macedo et coll. ont utilisé une caméra haute vitesse fixée à un microscope, avec un éclairage fourni par une source de lumière froide au nettoyage de l’image avec cavitation, et à la ccavitation d’image autour d’un fichier endodontique17,29. L’éclairage lumineux des champs offre plus de contraste entre l’arrière-plan et les bulles, ce qui permet d’utiliser des techniques de segmentation simples telles que le seuil, comme l’ont démontré Rivas et coll. pour l’imagerie et la quantification de l’érosion de la cavitation et du nettoyage au fil du temps29. L’éclairage des champs foncés rend le seuil plus difficile en raison de la variation plus élevée des écailles grises4,30. L’analyse d’image a été utilisée dans d’autres études pour recueillir plus d’informations sur les bulles1,2. Vyas et coll. ont utilisé une approche d’apprentissage automatique pour segmenter les bulles de cavitation autour d’un scalerultrasonique 20. La méthode décrite dans l’article actuel est plus rapide parce qu’elle utilise un seuil simple de sorte qu’il est moins intensif sur le plan informatique, et les bulles se produisant au-dessus et au-dessous de l’échellateur peuvent être analysées. Toutefois, la méthode de seuil utilisée dans le document actuel n’est exacte que si l’arrière-plan est uniforme. S’il n’est pas possible d’obtenir un arrière-plan uniforme pendant l’imagerie, d’autres techniques de traitement d’image peuvent être utilisées comme l’utilisation de la soustraction de fond à l’aide d’un rayon de billes roulant pour corriger l’éclairage inégal, le filtrage à l’aide de filtres médians ou gaussiens pour éliminer le bruit, ou aussi l’utilisation de techniques basées sur l’apprentissage automatique20,31.
En conclusion, nous présentons un protocole d’imagerie et d’analyse à grande vitesse pour l’image et calculer la zone d’un objet mobile microscopique. Nous avons démontré cette méthode en imaginant des bulles de cavitation autour d’un échellateur ultrasonique. Il peut être utilisé pour l’imagerie cavitation autour d’autres instruments dentaires tels que les fichiers endodontiques et il peut être facilement adapté pour d’autres applications d’imagerie bulle non dentaire.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs sont reconnaissants pour le financement du Conseil de recherches en génie et en sciences physiques 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 |