microbubbles קביטציה הם בתמונה באמצעות מצלמה במהירות גבוהה המחוברת עדשת זום. ההתקנה הניסיונית מוסברת, וניתוח תמונה משמש לחישוב האזור של קביטציה. ניתוח תמונה נעשה באמצעות ImageJ.
טכניקה ניסיונית וניתוח תמונה מוצגת להדמיית בועות קביטציה וחשבון האזור שלהם. ניתן ליישם את הטכניקה הניסיונית של ההדמיה המהירה ואת פרוטוקול ניתוח התמונה המוצג כאן גם על הדמיה של בועות מיקרוסקופיות בתחומים אחרים של מחקר; לכן, יש לו מגוון רחב של יישומים. אנו מיישמים את זה על קביטציה תמונה סביב סולמות אולטראסוניות שיניים. חשוב לקביציה תמונה לאפיין אותו ולהבין איך זה יכול להיות מנוצל עבור יישומים שונים. קביטציה המתרחשת סביב scalers אולטראסוניות שיניים יכול לשמש כשיטה חדשנית של הסרת פלאק שיניים, אשר יהיה יעיל יותר ולגרום פחות נזק מאשר טכניקות טיפול חניכיים הנוכחי. אנו מציגים שיטה להדמיית ענני בועת קביטציה המתרחשים סביב טיפים סולמות אולטראסוניות שיניים באמצעות מצלמה במהירות גבוהה ועדשת זום. אנו גם מחשבים את תחום קביטציה באמצעות ניתוח תמונה למידת מכונה. תוכנת קוד פתוח משמשת לניתוח תמונה. ניתוח התמונה המוצג קל לשכפול, אינו דורש חוויית תיכנות, ונתן לשנותו בקלות כך שיתאים ליישום המשתמש.
הדמיה של התנועה של בועות חשוב עבור יישומים שונים כי הוא שולט הידרודינמיקה של מערכת. ישנם יישומים רבים שבו זה יכול להיות שימושי: בכורימיטה נוזלית 1,,2,או לניקוי עםבועות קביטציה 3,,4. המטרה של הדמיית בועות היא להבין יותר על דינמיקת הבועה או על הכיוון והתנועה של ענן של בועות. ניתן לעשות זאת באמצעות התבוננות במבנים בתמונה וגם באמצעות ניתוח תמונה כדי להשיג מידע כמותי, כגון גודל הבועות.
בועות קביטציה הן גז או ישויות אדים המתרחשות בנוזל כאשר הלחץ יורד מתחת לערך הלחץ הרווי5. הם יכולים להתרחש כאשר שדה אקוסטי מוחל על נוזל בתדרים אולטראסוניות. הם גדלים ומתמוטטים שוב ושוב, ובמהלך הקריסה יכולים לשחרר אנרגיה בצורה של מיקרו-סילון מהיר וגליהלם 6,,7. אלה יכולים לנתק חלקיקים על פני השטח באמצעות כוחות גיה ולגרום לניקוי פני השטח8. בועות קביטציה נחקרות על ניקוי פני השטח בתעשיות שונות, כגון עבור מוליכים למחצה, מזון,וניקוי פצעים 9,,10,,11,,12. הם יכולים לשמש גם כדי לנקות פלאק שיניים משיניים וביו חומרים כגון שתליםדנטליים 12,13. קביטציה מתרחשת סביב מכשירים דנטליים המשמשים כיום כגון סולמות אולטראסוניות וקבצים אנדודונטיים ומראה פוטנציאל כתהליך ניקוי נוסף עם מכשיריםאלה 14.
תנודות של בועות קביטציה מתרחשת על פני כמה microseconds ולכן מצלמה במהירות גבוהה נדרש ללכוד את התנועה שלהם על ידי הדמיה באלפי מסגרותלשנייה 8. אנו מדגימים שיטה של קביטציה microbubble הדמיה סביב סולמות אולטראסוניות שיניים. המטרה היא להבין איך קביטציה משתנה סביב סולמות אולטראסוניות שונות, כך שזה יכול להיות ממוטב כדרך חדשנית לנקות פלאק שיניים.
שיטות קודמות המשמשות לחקור את קביטציה כוללים sonochemiluminesence, אשר משתמש luminol כדי לזהות איפה קביטציההתרחשה 15,16. עם זאת, זוהי טכניקה עקיפה והוא אינו מסוגל לדמיין את בועות קביטציה בזמן אמת. לכן, הוא אינו מסוגל לקבוע במדויק איפה זה קורה על המכשיר, ולא ניתן להשיג שום מידע על דינמיקת הבועה, אלא אם כן הוא משולב עם טכניקות הדמיה אחרות17. הדמיה במהירות גבוהה יכולה גם למצוא את בועות הקביטציה הגדלות וקורסות, אלא גם את סוג הקביטציה המתרחשת: ענני קביטציה, מיקרו-סטריםומיקרו-סילונים 6,,7,18. אלה נותנים מידע נוסף על איך קביטציה יכולה לנקות משטחים.
אנו מציגים שיטה של microbubbles קביטציה הדמיה באמצעות מצלמה במהירות גבוהה ולחשב את האזור ממוצע של קביטציה המתרחשת. שיטה זו מדגימה באמצעות דוגמה של קביטציה המתרחשת סביב טיפים שונים scaler אולטראסוניות שיניים, למרות השלבים ניסיוני וניתוח תמונה יכול לשמש עבור יישומים אחרים, כגון עבור הדמיה מאקרו אחרים microbubbles.
הטכניקה המתוארת במאמר זה מאפשרת הדמיה של מיקרו-bubbles הנעים במהירות עם רזולוציה מרחבית וזמנית גבוהה. זה יכול להועיל מגוון רחב של דיסציפלינות מדעיות כגון הנדסה כימית, רפואת שיניים ורפואה. יישומים הנדסיים כוללים בועות קביטציה הדמיה לניקוי משטחים, או עבור בועות הדמיה בכורי מיטה נוזליים. יישומים ביו-רפואיים כוללים קביטציה הדמיה סביב מכשירים רפואיים ודנטליים והטריה ביופילם הדמיה מרקמות קשות ורכות באמצעות בועות קביטציה. במחקר זה הראינו את הטכניקה על ידי קביטציה הדמיה סביב שני טיפים שונים scaler אולטראסוניות שיניים. כמות קביטציה משתנה בין שני טיפים שנבדקו במחקר זה, עם ענני קביטציה יותר שנצפו סביב הקצה החופשי של קצה 10P. זה היה קשור בעבר משרעת רטט20. קטעי הווידאו במהירות גבוהה מראים כי קצה FSI 1000 יש פחות רטט, אשר סביר להניח שזו הסיבה שיש פחות קביטציה סביב קצה זה.
מגבלה אחת של שיטת ניתוח התמונה היא כי טכניקת חיסור התמונה כדי להסיר את האזור של scaler אינו מדויק לחלוטין כי scaler הוא נדנודות ולכן החיסור עשוי להשאיר אזורים מסוימים של scaler מחולק באופן כוזב כמו בועות. עם זאת, זה כבר בחשבון על ידי ממוצע האזור ממספר גדול של מסגרות (n = 2000). זו לא תהיה בעיה עבור יישומים שבהם האובייקט שיש להפחית הוא נייח. עבור מחקרים שבהם האובייקט הנע יש להפחית יש שונות גבוהה הרבה יותר, אנו ממליצים לסנכרן את התנועות בשני קטעי הווידאו לפני חיסור לקבלת תוצאות מדויקות. במחקר הנוכחי, לא סנכרנו את התנודות, אך מכיוון שהרעידות היו נמוכות, אנו יכולים להניח כי התנודות מתאימות זו לזו בשתי מידות אלה.
סף התמונה מדויק מכיוון שהתאורה של brightfield מספקת רקע אחיד עם ניגודיות טובה. חשוב לוודא שהרקע אחיד ואינו מכיל אובייקטים אחרים אשר ניתן לחלקם באופן כוזב. ניתן לשנות את שיטת הסף באמצעות סף אוטומטי אחר שיתאים ליישום. סף ידני, שבו המשתמש מגדיר את ערך הסף, אפשרי גם הוא אך אינו מומלץ מכיוון שהוא מפחית את האפשרות לשחזור של התוצאות, מאחר שמשתמשים שונים יבחרו ערכי סף שונים.
ניתוח תמונה שימש עבור מחקרי הדמיית בועות רבים אחרים. אלה משתמשים גם בשיטה דומה של תאורה אחורית כדי לקבל ניגודיות אופטימאופטימית בין הבועות והרקע, ותו לאמקטע הבועות 21,22,23,24. השיטה המוצגת במחקר הנוכחי יכולה גם להיות הכללה כדי לשמש עבור יישומי הדמיית בועה רבים ושונים, אשר אינם מוגבלים רק הדמיה במהירות גבוהה. הדמיה במהירות גבוהה שימש בועות קביטציה שנוצר במים וגם סביב מכשירים כגון קבצים אנדודונטיים scalersאולטראסוניות 12,25,26,27,28. לדוגמה ריבאס ואח ‘ ו Macedo ואח ‘ השתמשו במצלמה במהירות גבוהה מחובר מיקרוסקופ, עם תאורה המסופקת על ידי מקור אור קר לניקוי תמונה עם קביטציה, ו כדי קביטציה תמונה סביב קובץ אנדודונטי17,29. תאורת שדה בהיר מספקת ניגודיות רבה יותר בין הרקע לבין הבועות, מה שאפשר להשתמש בטכניקות פילוח פשוטות כגון סף, כפי שהוכח על ידי Rivas ואח ‘. עבור הדמיה וכמת שחיקת קביטציה וניקוילאורך זמן 29. תאורת שדה כהה מקשה על הסף בשל הווריאציה הגבוהה יותר בקנה מידהאפור 4,30. ניתוח תמונה שימש במחקרים אחרים כדי לאסוף מידע נוסף על בועות1,2. Vyas ואח ‘השתמש בגישה למידת מכונה בועות קביטציה קטע סביב scaler אולטראסוניות20. השיטה המתוארת בנייר הנוכחי מהירה יותר מכיוון שהיא משתמשת בסף פשוט כך שהיא פחות אינטנסיבית מבחינה חישובית, וניתן לנתח בועות המתרחשות מעל ומתחת למאזניים. עם זאת, שיטת הסף המשמשת בנייר הנוכחי מדויקת רק אם הרקע אחיד. אם לא ניתן להשיג רקע אחיד במהלך ההדמיה, ניתן להשתמש בטכניקות עיבוד תמונה אחרות כגון שימוש בהחסיר רקע באמצעות רדיוס כדור מתגלגל כדי לתקן תאורה לא אחידה, סינון באמצעות מסננים חציון או Gaussian כדי להסיר רעש, או גם באמצעות טכניקותמבוססות למידת מכונה 20,31.
לסיכום, אנו מציגים פרוטוקול הדמיה וניתוח במהירות גבוהה לתמונה ולחשב את האזור של אובייקט נע מיקרוסקופי. הראינו שיטה זו על ידי הדמיה בועות קביטציה סביב scaler אולטראסוניות. זה יכול לשמש עבור קביטציה הדמיה סביב מכשירים דנטליים אחרים כגון קבצים אנדודונטיים וזה יכול להיות מותאם בקלות עבור יישומי הדמיה בועה שאינם שיניים אחרים.
The authors have nothing to disclose.
המחברים אסירי תודה על מימון מהמועצה למחקר הנדסה ומדעי הפיזיקליים 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 |
|
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 |