Кавитация микропузырьки изображены с помощью высокоскоростной камеры, прикрепленной к зум-объективу. Экспериментальная установка объясняется, и анализ изображения используется для расчета области кавитации. Анализ изображений проводится с помощью ImageJ.
Представлен экспериментальный метод анализа изображений для визуализации пузырьков кавитации и расчета их площади. Представленная здесь экспериментальная методика высокоскоростной визуализации и протокол анализа изображений также могут быть применены для визуализации микроскопических пузырьков в других областях исследований; поэтому он имеет широкий спектр применений. Мы применяем это к кавитации изображений вокруг зубных ультразвуковых шкалеров. Важно, чтобы кавитация изображений характеризовала его и понимала, как его можно использовать для различных приложений. Кавитация происходит вокруг зубных ультразвуковых шкалеров могут быть использованы в качестве нового метода удаления зубного налета, который будет более эффективным и причинить меньше вреда, чем текущие методы пародонта терапии. Мы представляем метод визуализации облаков пузырьков кавитации, происходящих вокруг зубных ультразвуковых советов масштаба с помощью высокоскоростной камеры и зум-объектива. Мы также вычисляем область кавитации с помощью анализа изображений машинного обучения. Программное обеспечение с открытым исходным кодом используется для анализа изображений. Представленный анализ изображений прост в воспроизведении, не требует опыта программирования и может быть легко изменен в соответствии с приложением пользователя.
Изображение движения пузырьков имеет важное значение для различных приложений, поскольку он контролирует гидродинамику системы. Есть много приложений, где это может быть полезно: в жидкостных реакторахкровать 1,,2, или для очистки с кавитациипузырьков 3,4. Цель изображения пузырьков заключается в том, чтобы лучше понять динамику пузыря или направление и движение облака пузырьков. Это может быть сделано путем наблюдения структур, изображенных, а также с помощью анализа изображений для получения количественной информации, такой как размер пузырьков.
Кавитации пузыри газа или пара лиц, которые происходят в жидкости, когда давление падает ниже насыщенного значения давления5. Они могут возникать при применении акустического поля к жидкости на ультразвуковых частотах. Они постоянно растут и разрушаются, а при обрушении могут высвобождать энергию в виде скоростных микро-струй и ударныхволн 6,,7. Они могут выбить частицы на поверхности с помощью сил стрижки и вызвать очистку поверхности8. Кавитации пузырьки в настоящее время исследованы для очистки поверхности в различных отраслях промышленности, таких как полупроводники,продукты питания, ираны очистки 9,10,11,12. Они также могут быть использованы для очистки зубного налета от зубов и биоматериалов, таких как зубныеимплантаты 12,13. Кавитация происходит вокруг используемых в настоящее время стоматологических инструментов, таких как ультразвуковые шкалы и эндодонтические файлы и показывает потенциал в качестве дополнительного процесса очистки с этимиинструментами 14.
Колебания пузырьков кавитации происходит в течение нескольких микросекунд и, следовательно, высокоскоростная камера требуется, чтобы захватить их движение с помощью изображений на тысячи кадров всекунду 8. Мы демонстрируем метод визуализации микропузырьковой кавитации вокруг зубных ультразвуковых шкалеров. Цель состоит в том, чтобы понять, как кавитация варьируется вокруг различных ультразвуковых шкалеров, поэтому она может быть оптимизирована как новый способ очистки зубного налета.
Предыдущие методы, используемые для исследования кавитации включают sonochemiluminesence, который использует люминол для обнаружения, гдекавитация произошла 15,16. Тем не менее, это косвенный метод, и он не в состоянии визуализировать пузырьки кавитации в режиме реального времени. Таким образом, он не в состоянии точно определить, где именно это происходит на инструменте, и никакая информация не может быть получена на динамику пузыря, если она не сочетается с другими методамиизображения 17. Высокоскоростная визуализация может изображение не только кавитации пузырьков растет и рушится, но и тип кавитации происходит: кавитации облака, микростримерыи микро-струй 6,7,18. Они дают больше информации о том, как кавитация может очистить поверхности.
Мы представляем метод визуализации кавитации микропузырей с помощью высокоскоростной камеры и расчета средней площади кавитации происходит. Этот метод демонстрируется на примере кавитации, происходящей вокруг различных стоматологических ультразвуковых советов шкалы, хотя экспериментальные и этапы анализа изображений могут быть использованы для других приложений, таких как для визуализации других макро- и микропузырьки.
Техника, описанная в этой работе, позволяет изображения быстро движущихся микропузырьки с высоким пространственным и временным разрешением. Это потенциально может принести пользу широкому кругу научных дисциплин, таких как химическая инженерия, стоматология и медицина. Инженерные приложения включают изображения пузырьков кавитации для очистки поверхностей, или для визуализации пузырьков в жидкостных реакторах кровати. Биомедицинские приложения включают кавитацию изображений вокруг медицинских и стоматологических инструментов и биопленку изображений из твердых и мягких тканей с использованием пузырьков кавитации. В этом исследовании мы продемонстрировали технику визуализации кавитации вокруг двух различных стоматологических ультразвуковых советов масштаба. Количество кавитации варьируется между двумя советами, проверенными в этом исследовании, с большим количеством облаков кавитации наблюдается вокруг свободного конца кончика 10P. Ранее это было связано с амплитудойвибрации 20. Высокоскоростные видео показывают, что наконечник FSI 1000 имеет меньше вибрации, что, вероятно, является причиной меньше кавитации вокруг этого наконечника.
Одним из ограничений метода анализа изображений является то, что метод вычитания изображений для удаления области шкалы не является полностью точным, потому что шкала колеблется и, следовательно, вычитание может оставить некоторые области шкалы ложно сегментированы как пузыри. Тем не менее, это было учтено путем усреднения области из большого количества кадров (n’2000). Это не будет проблемой для приложений, где объект, который будет вычитан, является неподвижным. Для исследований, где движущийся объект, который будет вычитаться имеет гораздо более высокую дисперсию, мы рекомендуем синхронизировать движения в обоих видео, прежде чем вычитать для точных результатов. В текущем исследовании мы не синхронизировали колебания, но так как вибрация была низкой, можно предположить, что колебания хорошо соответствуют друг другу в этих двух измерениях.
Пороговое изображение является точным, потому что яркое освещение обеспечивает единый фон с хорошим контрастом. Крайне важно обеспечить, чтобы фон был однородным и не содержал других объектов, которые могли бы быть ложно сегментированы. Метод порогового значения может быть изменен с помощью других автоматических пороговых значений в соответствии с приложением. Ручное пороговое значение, когда пользователь устанавливает пороговое значение, также возможно, но не рекомендуется, поскольку снижает воспроизводимость результатов, так как различные пользователи будут выбирать различные пороговые значения.
Анализ изображений был использован для многих других исследований изображения пузырьков. Они также используют аналогичный метод подсветки, чтобы получить оптимальный контраст между пузырьками и фоном, и порог сегментпузыри 21,22,23,24. Метод, показанный в текущем исследовании, также может быть обобщен для использования для многих различных приложений для изображения пузырьков, которые не ограничиваются только высокоскоростной визуализацией. Высокоскоростная визуализация была использована для кавитации пузырьков, генерируемых в воде, а также вокруг таких инструментов, как эндодонтные файлы и ультразвуковые шкалы12,,25,,26,,27,28. Например Rivas et al. и Macedo et al. использовали высокоскоростную камеру, прикрепленную к микроскопу, с освещением, предоставляемым холодным источником света для очистки изображения с кавитацией, и для кавитации изображения вокруг эндодонтическогофайла 17,29. Яркое освещение поля обеспечивает больший контраст между фоном и пузырьками, что позволяет использовать простые методы сегментации, такие как пороговые значения, как это продемонстрировали Rivas et al. для визуализации и количественной эрозии кавитации и очистки с течениемвремени 29. Освещение темного поля затрудняет порог из-за более высокой вариации серыхчешуек 4,,30. Анализ изображений был использован в других исследованиях, чтобы собрать больше информации опузырьках 1,,2. Vyas et al. использовали подход машинного обучения к сегментации пузырьков кавитации вокруг ультразвукового шкалера20. Метод, описанный в текущем документе, быстрее, потому что он использует простую пороговую шкалу, поэтому он менее вычислительно интенсивный, и пузыри, происходящие выше и ниже шкалы, могут быть проанализированы. Однако метод порогового значения, используемый в текущем документе, является точным только в том случае, если фон однороден. Если невозможно получить единый фон во время визуализации, могут быть использованы другие методы обработки изображений, такие как использование фонового вычитания с помощью радиуса подвижного шара для коррекции неравномерного освещения, фильтрация с использованием медианных или гауссийских фильтров для удаления шума, или также с использованием методовмашинного обучения 20,31.
В заключение мы представляем высокоскоростной протокол визуализации и анализа для изображения и расчета площади микроскопического движущийся объект. Мы продемонстрировали этот метод с помощью изображений пузырьков кавитации вокруг ультразвукового шкалера. Он может быть использован для визуализации кавитации вокруг других стоматологических инструментов, таких как эндодонтные файлы, и он может быть легко адаптирован для других не-стоматологических приложений изображения пузыря.
The authors have nothing to disclose.
Авторы благодарны за финансирование от инженерных и физических наук научно-исследовательский совет 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 |