Kavitasyon mikrokabarcıkları, zum objektifine bağlı yüksek hızlı bir kamera kullanılarak görüntülenir. Deneysel kurulum açıklanır ve kavitasyon alanını hesaplamak için görüntü analizi kullanılır. Görüntü analizi ImageJ kullanılarak yapılır.
Kavitasyon baloncuklarının görüntülenmesi ve alanlarının hesaplanması için deneysel ve görüntü analizi tekniği sunulur. Burada sunulan yüksek hızlı görüntüleme deneysel tekniği ve görüntü analizi protokolü, diğer araştırma alanlarındaki mikroskobik kabarcıkların görüntülenmesi için de uygulanabilir; bu nedenle, geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. Biz diş ultrasonik ölçekleyiciler etrafında görüntü kavitasyon için bu uygulayın. Bu karakterize ve nasıl çeşitli uygulamalar için istismar edilebilir anlamak için görüntü kavitasyon önemlidir. Diş ultrasonik ölçekleyiciler etrafında meydana gelen kavitasyon daha etkili olacak ve mevcut periodontal tedavi teknikleri daha az hasara neden olacak diş plağı kaldırma, yeni bir yöntem olarak kullanılabilir. Biz yüksek hızlı kamera ve zum lens kullanarak diş ultrasonik ölçekleyici ipuçları etrafında meydana gelen kavitasyon kabarcık bulutlar görüntüleme için bir yöntem salıyoruz. Ayrıca makine öğrenme görüntü analizi kullanarak kavitasyon alanını hesaplar. Açık kaynak yazılım görüntü analizi için kullanılır. Sunulan görüntü analizi çoğaltılması kolaydır, programlama deneyimi gerektirmez ve kullanıcının uygulamasına uyacak şekilde kolayca değiştirilebilir.
Bir sistemin hidrodinamik kontrol çünkü kabarcıklar hareketi görüntüleme çeşitli uygulamalar için önemlidir. Bu yararlı olabilir birçok uygulama vardır: akışkan yatak reaktörleri1,2, veya kavitasyon kabarcıkları ile temizlik için3,4. Görüntüleme kabarcıkları amacı kabarcık dinamikleri veya kabarcıklar bir bulut yön ve hareket hakkında daha fazla anlamaktır. Bu, görüntülenmiş yapıları gözlemleyerek ve kabarcıkların boyutu gibi nicel bilgileri elde etmek için görüntü analizi kullanılarak da yapılabilir.
Kavitasyon kabarcıkları, basınç doymuş basınç değerinin altına düştüğünde sıvıda oluşan gaz veya buhar varlıklarıdır5. Ultrasonik frekanslarda bir sıvıya akustik alan uygulandığında oluşabilirler. Onlar art arda büyümek ve çöküşü, ve çöküşü üzerine yüksek hızlı mikro jetler ve şok dalgaları şeklinde enerji serbest bırakabilirsiniz6,7. Bu kesme kuvvetleri ile bir yüzeyüzerinde parçacıkları yerinden ve yüzey temizleme neden olabilir8. Kavitasyon kabarcıkları yarı iletkenler, gıda ve yaratemizleme9,10,11,12gibi farklı sektörlerde yüzey temizliği için araştırılmaktadır. Ayrıca diş ve diş implantları12,13gibi biyomalzemelerdiş plak temizlemek için kullanılabilir. Kavitasyon ultrasonik ölçekleyiciler ve endodontik dosyaları gibi şu anda kullanılan diş aletleri etrafında oluşur ve bu aletleri ile ek bir temizleme işlemi olarak potansiyel gösterir14.
Kavitasyon kabarcıklarının salınımı birkaç mikrosaniye içinde gerçekleşir ve bu nedenle yüksek hızlı bir kamera saniyede binlerce kare görüntüleme onların hareket yakalamak için gereklidir8. Biz diş ultrasonik ölçekleyiciler etrafında mikrokabarcık kavitasyon görüntüleme yöntemi göstermektedir. Amaç kavitasyon farklı ultrasonik ölçekleyiciler etrafında değişir nasıl anlamaktır, bu yüzden diş plak temizlemek için yeni bir yol olarak optimize edilebilir.
Kavitasyon araştırmak için kullanılan önceki yöntemler sonochemiluminesence, kavitasyon meydana geldiğini tespit etmek için luminol kullananiçerir 15,16. Ancak, bu dolaylı bir tekniktir ve gerçek zamanlı olarak kavitasyon kabarcıkları görselleştirmek mümkün değildir. Bu nedenle, doğru cihaz üzerinde olur tam olarak nerede belirlemek mümkün değildir, ve hiçbir bilgi kabarcık dinamikleri elde edilebilir, diğer görüntüleme teknikleri ile kombine sürece17. Yüksek hızlı görüntüleme sadece kavitasyon kabarcıkları büyüyen ve çöken değil, aynı zamanda meydana gelen kavitasyon türü görüntü olabilir: kavitasyon bulutları, microstreamers ve mikro-jetleri6,7,18. Bunlar, kavitasyonun yüzeyleri nasıl temizleyebildiği hakkında daha fazla bilgi verir.
Yüksek hızlı bir kamera kullanarak kavitasyon mikrokabarcıklarını görüntüleme ve oluşan ortalama kavitasyon alanını hesaplama yöntemisi savuruyoruz. Deneysel ve görüntü analizi adımları diğer makro ve mikrokabarcıklar görüntüleme gibi diğer uygulamalar için kullanılabilir rağmen bu yöntem, farklı diş ultrasonik ölçekleyici ipuçları etrafında meydana gelen kavitasyon bir örnek kullanılarak gösterilmiştir.
Bu yazıda açıklanan teknik, yüksek uzamsal ve zamansal çözünürlüğe sahip hızlı hareket eden mikrokabarcıkların görüntülenmesine olanak sağlar. Kimyasal mühendislik, diş hekimliği ve tıp gibi çok çeşitli bilimsel disiplinlere potansiyel olarak fayda sağlayabilir. Mühendislik uygulamaları, yüzeyleri temizlemek için görüntüleme kavitasyon baloncuklarını veya akışkan yatak reaktörlerinde görüntüleme kabarcıklarını içerir. Biyomedikal uygulamalar arasında tıbbi ve dental aletler in etrafında görüntüleme kavitasyonu ve kavitasyon kabarcıkları kullanılarak sert ve yumuşak dokudan biyofilm debridmanı yer almaktadır. Bu çalışmada iki farklı diş ultrasonik ölçekleyici ipuçları etrafında kavitasyon görüntüleme ile tekniği gösterdi. Kavitasyon miktarı bu çalışmada test edilen iki ipucu arasında değişir, daha fazla kavitasyon bulutları ucu 10P serbest sonunda gözlenen ile. Bu daha önce titreşim genliği20ile bağlantılı olmuştur. Yüksek hızlı videolar FSI 1000 ucu daha az titreşim olduğunu göstermektedir, bu ucu etrafında daha az kavitasyon neden olması muhtemeldir.
Görüntü analizi yönteminin bir sınırlama ölçekleyici alanı kaldırmak için görüntü çıkarma tekniği tamamen doğru değildir, çünkü ölçekleyici salınım ve bu nedenle çıkarma yanlışlıkla kabarcıklar olarak segmente ölçekleyici bazı alanlarda bırakabilir. Ancak, bu kare (n = 2000) çok sayıda alan ortalama tarafından hesaplanmıştır. Bu, çıkarılacak nesnenin sabit olduğu uygulamalar için sorun olmaz. Çıkarılacak hareketli nesnenin çok daha yüksek bir varyansa sahip olduğu çalışmalar için, doğru sonuçlar elde etmeden önce her iki videodaki hareketleri eşitlemenizi öneririz. Mevcut çalışmada, salınımları senkronize etmedik ama titreşim düşük olduğu için, bu iki ölçümde salınımların birbirine iyi karşılık geldiğini varsayabiliriz.
Parlak alan aydınlatması iyi kontrasta sahip tek tip bir arka plan sağladığından görüntü eşiği doğrudur. Arka planın düzgün olduğundan ve yanlış olarak segmente edilebilen başka nesneler içermediğinden emin olmak önemlidir. Eşik yöntemi, uygulamaya uyacak şekilde diğer otomatik eşikler kullanılarak değiştirilebilir. Farklı kullanıcılar farklı eşik değerlerini seçeceği için, kullanıcının eşik değerini belirlediği el ile eşik leme de mümkündür, ancak sonuçların tekrarlanabilirliğini azalttığı için önerilmez.
Görüntü analizi diğer birçok kabarcık görüntüleme çalışmaları için kullanılmıştır. Bu da kabarcıklar ve arka plan arasında optimum kontrast elde etmek için backlighting benzer bir yöntem kullanın ve kabarcıklarsegment21,,22,23,24için eşik. Mevcut çalışmada gösterilen yöntem de sadece yüksek hızlı görüntüleme ile sınırlı değildir birçok farklı kabarcık görüntüleme uygulamaları için kullanılmak üzere genelleştirilmiş olabilir. Yüksek hızlı görüntüleme suda üretilen kavitasyon kabarcıkları için ve aynı zamanda endodontik dosyaları ve ultrasonik ölçekleyiciler12,25,26,27,28gibi araçlar etrafında kullanılmıştır. Örneğin Rivas ve ark. ve Macedo ve ark. bir mikroskop bağlı bir yüksek hızlı kamera kullanılan, aydınlatma ile soğuk bir ışık kaynağı tarafından sağlanan kavitasyon ile görüntü temizleme, ve bir endodontik dosya etrafında görüntü kavitasyonu17,29. Parlak alan aydınlatması arka plan ve kabarcıklar arasında daha fazla kontrast sağlar, mümkün eşik gibi basit segmentasyon teknikleri kullanmak için yapım, rivas ve ark tarafından görüntüleme ve kavitasyon erozyon uyruğu ve zaman içinde temizlik için gösterildiği gibi29. Koyu alan aydınlatması, gri pullarda daha yüksek varyasyonnedeniyleeşik daha zor hale getirir 4,30. Görüntü analizi kabarcıklar hakkında daha fazla bilgi toplamak için diğer çalışmalarda kullanılmıştır1,2. Vyas ve ark. bir ultrasonik ölçekleyici etrafında segment kavitasyon kabarcıkları için bir makine öğrenme yaklaşımı kullanılır20. Geçerli kağıtta açıklanan yöntem basit eşik kullanımından daha hızlıdır, bu nedenle hesaplama açısından daha az yoğundur ve ölçekleyicinin üstünde ve altında oluşan kabarcıklar analiz edilebilir. Ancak, geçerli kağıtta kullanılan eşik yöntemi yalnızca arka plan düzgünse doğrudur. Görüntüleme sırasında tek tip bir arka plan elde etmek mümkün değilse, diğer görüntü işleme teknikleri gibi düzensiz aydınlatma için düzeltmek için bir haddeleme topu yarıçapı kullanarak arka plan çıkarma kullanımı gibi kullanılabilir, gürültü kaldırmak için medyan veya Gaussian filtreleri kullanarak filtreleme, ya da aynı zamanda makine öğrenimi tabanlı teknikleri kullanarak20,31.
Sonuç olarak, mikroskobik hareket eden bir cismin alanını görüntülemek ve hesaplamak için yüksek hızlı bir görüntüleme ve analiz protokolü salıyoruz. Biz bir ultrasonik ölçekleyici etrafında kavitasyon kabarcıkları görüntüleme ile bu yöntemi göstermiştir. Endodontik dosyalar gibi diğer diş aletleri etrafında kavitasyon görüntüleme için kullanılabilir ve kolayca diğer diş dışı kabarcık görüntüleme uygulamaları için adapte edilebilir.
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi EP/P015743/1 fon için müteşekkir.
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 |