气穴微泡使用连接到变焦镜头的高速摄像机进行成像。阐述了实验设置,并采用图像分析计算气穴面积。使用 ImageJ 完成图像分析。
提出了一种用于成像气穴气泡并计算气穴面积的实验和图像分析技术。这里提出的高速成像实验技术和图像分析方案,也可以应用于其他研究领域的成像显微气泡;因此,它具有广泛的应用。我们将其应用于牙科超声波刻度器周围的图像气穴。图像气穴来描述它,并了解如何将其用于各种应用,这一点非常重要。围绕牙科超声波刻度器发生的气穴可以用作一种新的牙菌斑去除方法,比目前的牙周治疗技术更有效,造成的损害更少。我们提出了一种使用高速摄像机和变焦镜头成像牙科超声波刻度器尖端周围发生的气穴气泡云的方法。我们还使用机器学习图像分析计算气穴面积。开源软件用于图像分析。提供的图像分析易于复制,不需要编程经验,并且可以很容易地修改以适应用户的应用。
成像气泡的运动对于各种应用都很重要,因为它控制着系统的流体动力学。有许多应用,这非常有用:在流化床反应器1,2,,2或用于清洁气穴气泡3,3,4。成像气泡的目的是更好地了解气泡动力学或气泡云的方向和运动。这可以通过观察图像结构以及使用图像分析来获取定量信息(如气泡的大小)来实现。
气穴气泡是当压力低于饱和压力值5时在流体中发生的气体或蒸汽实体。当声场以超声波频率应用于流体时,它们可能发生。它们反复生长和坍塌,在坍塌时可以释放能量,以高速微喷气机和冲击波6,7,的形式。这些可以通过剪切力将表面上的颗粒清除,并导致表面清洁8。气穴气泡正在调查不同行业的表面清洁,如半导体,食品和伤口清洁,9,10,11,12。1011,129它们还可用于清洁牙齿和生物材料中的牙菌斑,如牙科植入物12、13。,13气穴发生在目前使用的牙科仪器,如超声波刻度仪和内音文件,并显示出潜在的附加清洁过程与这些仪器14。
气穴气泡的振荡发生在几微秒内,因此需要高速摄像机以每秒数千帧的成像来捕捉其运动。我们演示了一种围绕牙科超声波刻度器进行微泡气穴成像的方法。目的是了解气穴如何围绕不同的超声波刻度器变化,因此它可以被优化为清洁牙菌斑的新方法。
以前用于研究气穴的方法包括气精,它使用发光来检测气穴发生的地方15,16。15,然而,这是一种间接技术,它无法实时可视化气穴气泡。因此,它无法准确确定它在仪器上发生的确切地点,并且除非与其他成像技术相结合,否则无法获得有关气泡动力学的信息。高速成像不仅可以成像气穴气泡的产生和坍塌,还可以成像气穴发生的类型:气穴云、微流和微喷头6,6、7、18。,18这些提供了有关气穴如何清洁表面的更多信息。
我们提出了一种使用高速摄像机成像气穴微泡并计算气穴发生平均面积的方法。此方法使用围绕不同牙科超声波刻度器尖端发生的气穴示例进行演示,尽管实验和图像分析步骤可用于其他应用,例如成像其他宏和微泡。
本文所述的技术能够对具有高空间和时间分辨率的快速移动微泡进行成像。它有可能有利于广泛的科学学科,如化学工程,牙科和医学。工程应用包括用于清洁表面的成像气穴气泡,或用于流化床反应器中的成像气泡。生物医学应用包括围绕医疗和牙科仪器的成像气穴,以及使用气穴气泡从硬和软组织中成像生物膜脱毛。在这项研究中,我们演示了该技术,通过两个不同的牙科超声波刻度器尖端成像气穴。本研究中测试的两个尖端之间,气穴量不同,在尖端 10P 的自由端周围观察到更多的气穴云。这以前与振动振幅20有关。高速视频显示,FSI 1000 尖端的振动较小,这可能是为什么围绕此尖端的气穴较少的原因。
图像分析方法的一个局限性是,删除刻度器面积的图像减法技术并不完全准确,因为刻度器是振荡的,因此减法可能会将刻度器的一些区域错误地分割为气泡。但是,这一点通过从大量帧(n=2000)中平均面积来解释。对于要减去的对象是静止的应用程序中,这不是问题。对于要减去的移动对象的算数具有更高方差的算物,我们建议在减去结果之前同步两个视频中的移动。在目前的研究中,我们没有同步振荡,但由于振动较低,我们可以假设在两次测量中振荡彼此非常对应。
图像阈值是准确的,因为亮场照明提供了具有良好对比度的统一背景。确保背景是统一的,并且不包含任何其他可能错误地分段的对象,这一点至关重要。可以使用其他自动阈值来修改阈值方法,以适应应用程序。手动阈值(用户设置阈值)也是可能的,但不建议这样做,因为它会降低结果的可重复性,因为不同的用户将选择不同的阈值。
图像分析已用于许多其他气泡成像研究。他们还使用类似的背光方法,在气泡和背景之间获得最佳对比度,并阈值对气泡进行分割 21、22、23、24。,22,23,24本研究显示的方法也可以推广到许多不同的气泡成像应用,这些应用不仅限于高速成像。高速成像已用于在水中产生的气穴气泡,也围绕仪器,如内音文件和超声波刻度器12,25,26,27,28。12,25,26,27,28例如,Rivas等人和Macedo等人使用连接到显微镜上的高速摄像机,由冷光源提供照明,用于用气穴进行图像清洁,并在内向文件17、29周围进行图像气穴。明亮的场照明在背景和气泡之间提供了更多的对比度,因此可以使用简单的分割技术,如阈值,正如Rivas等人所证明的,用于成像和量化气穴侵蚀和清洁随着时间的推移29。由于灰度4,30的变异性较高,暗场照明使阈,值更加困难。图像分析已用于其他研究,以收集有关气泡1,2,的信息。Vyas等人使用机器学习方法在超声波刻度器20周围分割气穴气泡。本文中描述的方法更快,因为它使用简单的阈值,因此计算密集度较低,并且可以分析在刻度器上方和下方发生的气泡。但是,当前论文中使用的阈值方法只有在背景均匀时才准确。如果在成像过程中无法获得统一的背景,可以使用其他图像处理技术,例如使用背景减法使用滚球半径来校正不均匀的照明,使用中值或高斯滤镜进行滤波以消除噪声,或者也使用基于机器学习的技术20,31。,31
最后,提出了一种高速成像和分析方案,用于成像和计算微观运动物体的面积。通过成像超声波刻度器周围的气穴气泡,我们演示了这种方法。它可用于其他牙科仪器(如牙内音文件)周围的成像气穴,并可轻松适应其他非牙科气泡成像应用。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢工程和物理科学研究理事会EP/P015743/1的资助。
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 |