Las microburbujas de cavitación se visualizan utilizando una cámara de alta velocidad conectada a una lente de zoom. Se explica la configuración experimental y se utiliza el análisis de imágenes para calcular el área de la cavitación. El análisis de imágenes se realiza utilizando ImageJ.
Se presenta una técnica experimental y de análisis de imágenes para las burbujas de cavitación por imágenes y el cálculo de su área. La técnica experimental de imágenes de alta velocidad y el protocolo de análisis de imágenes presentado aquí también se pueden aplicar para la toma de imágenes de burbujas microscópicas en otros campos de investigación; por lo tanto, tiene una amplia gama de aplicaciones. Aplicamos esto a la cavitación de imagen alrededor de escaladores ultrasónicos dentales. Es importante que la cavitación de la imagen la caracterice y entienda cómo se puede explotar para diversas aplicaciones. La cavitación que ocurre alrededor de los escaladores ultrasónicos dentales se puede utilizar como un método novedoso de eliminación de placa dental, que sería más eficaz y causaría menos daño que las técnicas actuales de terapia periodontal. Presentamos un método para tomar imágenes de las nubes de burbujas de cavitación que ocurren alrededor de las puntas del escalador ultrasónico dental utilizando una cámara de alta velocidad y una lente de zoom. También calculamos el área de cavitación utilizando el análisis de imágenes de aprendizaje automático. El software de código abierto se utiliza para el análisis de imágenes. El análisis de imagen presentado es fácil de replicar, no requiere experiencia de programación y se puede modificar fácilmente para adaptarse a la aplicación del usuario.
La imagen del movimiento de las burbujas es importante para diversas aplicaciones porque controla la hidrodinámica de un sistema. Hay muchas aplicaciones donde esto puede ser útil: en reactores de lecho fluidizado1,2, o para la limpieza con burbujas de cavitación3,4. El propósito de las burbujas de imagen es entender más sobre la dinámica de la burbuja o sobre la dirección y el movimiento de una nube de burbujas. Esto se puede hacer a través de la observación de estructuras de imagen y también mediante el análisis de imágenes para obtener información cuantitativa, como el tamaño de las burbujas.
Las burbujas de cavitación son entidades de gas o vapor que se producen en un fluido cuando la presión cae por debajo del valor de presión saturada5. Pueden ocurrir cuando se aplica un campo acústico a un fluido a frecuencias ultrasónicas. Crecen y colapsan repetidamente, y al colapsar pueden liberar energía en forma de microcráditos de alta velocidad y ondas de choque6,,7. Estos pueden desalojar las partículas en una superficie a través de las fuerzas de cizallamiento y causar limpieza de la superficie8. Se están investigando burbujas de cavitación para la limpieza de superficies en diferentes industrias, como para semiconductores, alimentos y limpieza de heridas9,10,11,12. También podrían utilizarse para limpiar la placa dental de dientes y biomateriales como implantes dentales12,,13. La cavitación se produce alrededor de los instrumentos dentales utilizados actualmente, tales como escaladores ultrasónicos y archivos endodónticos y muestra potencial como un proceso de limpieza adicional con estos instrumentos14.
La oscilación de las burbujas de cavitación se produce durante unos pocos microsegundos y, por lo tanto, se requiere una cámara de alta velocidad para capturar su movimiento mediante imágenes a miles de fotogramas por segundo8. Demostramos un método de microburbujas de microbubbleación en torno a los escaladores ultrasónicos dentales. El objetivo es entender cómo la cavitación varía alrededor de diferentes escaladores ultrasónicos, por lo que se puede optimizar como una forma novedosa de limpiar la placa dental.
Los métodos anteriores utilizados para investigar la cavitación incluyen sonooociluluminisencia, que utiliza luminol para detectar dónde se ha producido la cavitación15,16. Sin embargo, esta es una técnica indirecta y no es capaz de visualizar las burbujas de cavitación en tiempo real. Por lo tanto, no es capaz de determinar con precisión dónde sucede en el instrumento, y no se puede obtener información sobre la dinámica de la burbuja, a menos que se combine con otras técnicas de imagen17. Las imágenes de alta velocidad pueden imaginar no sólo las burbujas de cavitación creciendo y colapsando, sino también el tipo de cavitación que se produce: nubes de cavitación, microtranslocadores y micro-jets6,,7,,18. Estos proporcionan más información sobre cómo la cavitación puede limpiar superficies.
Presentamos un método de microburbujas de cavitación por imágenes utilizando una cámara de alta velocidad y calculando el área media de cavitación que ocurre. Este método se demuestra utilizando un ejemplo de cavitación que ocurre alrededor de diferentes puntas de escalador ultrasónico dental, aunque los pasos experimentales y de análisis de imagen se pueden utilizar para otras aplicaciones, como para la toma de imágenes de otras macro y microburbujas.
La técnica descrita en este documento permite la creación de imágenes de microburbujas de movimiento rápido con alta resolución espacial y temporal. Puede beneficiar potencialmente una amplia gama de disciplinas científicas como la ingeniería química, odontología y medicina. Las aplicaciones de ingeniería incluyen burbujas de cavitación por imágenes para limpiar superficies o para burbujas de imágenes en reactores de lecho fluidizado. Las aplicaciones biomédicas incluyen cavitación por imágenes alrededor de instrumentos médicos y dentales y desbridamiento de biopelículas por imágenes de tejido duro y blando utilizando burbujas de cavitación. En este estudio demostramos la técnica por la cavitación por imágenes alrededor de dos puntas de escalador ultrasónico dental diferentes. La cantidad de cavitación varía entre los dos consejos probados en este estudio, con más nubes de cavitación observadas alrededor del extremo libre de la punta 10P. Esto se ha relacionado previamente con la amplitud de vibración20. Los videos de alta velocidad muestran que la punta FSI 1000 tiene menos vibración, lo que es probable que sea la razón por la que hay menos cavitación alrededor de esta punta.
Una limitación del método de análisis de imagen es que la técnica de resta de imagen para eliminar el área del escalador no es completamente precisa porque el escalador está oscilando y por lo tanto la resta puede dejar algunas áreas del escalador falsamente segmentadas como burbujas. Sin embargo, esto se ha contabilizado promediando el área de un gran número de fotogramas (n-2000). Esto no sería un problema para las aplicaciones en las que el objeto que se va a restar está estacionario. Para los estudios en los que el objeto en movimiento que se va a restar tiene una varianza mucho mayor, se recomienda sincronizar los movimientos en ambos vídeos antes de restar para obtener resultados precisos. En el estudio actual, no sincronizamos las oscilaciones, pero como la vibración era baja, podemos suponer que las oscilaciones se corresponden bien entre sí en estas dos mediciones.
El umbral de la imagen es preciso porque la iluminación de campo brillante proporciona un fondo uniforme con un buen contraste. Es fundamental asegurarse de que el fondo es uniforme y no contiene ningún otro objeto que pueda segmentarse falsamente. El método de umbral se puede modificar mediante el uso de otros umbrales automáticos para adaptarse a la aplicación. El umbral manual, donde el usuario establece el valor de umbral, también es posible, pero no se recomienda ya que reduce la reproducibilidad de los resultados, ya que diferentes usuarios seleccionarán diferentes valores de umbral.
El análisis de imágenes se ha utilizado para muchos otros estudios de imágenes de burbujas. Estos también utilizan un método similar de retroiluminación para obtener un contraste óptimo entre las burbujas y el fondo, y umbrales para segmentar las burbujas21,22,23,24. El método mostrado en el estudio actual también se puede generalizar para ser utilizado para muchas aplicaciones de imágenes de burbujas diferentes, que no se limitan a sólo imágenes de alta velocidad. Las imágenes de alta velocidad se han utilizado para burbujas de cavitación generadas en el agua y también alrededor de instrumentos como archivos endodónticos y escaladores ultrasónicos12,,25,,26,,27,,28. Por ejemplo Rivas et al. y Macedo et al. utilizaron una cámara de alta velocidad conectada a un microscopio, con iluminación proporcionada por una fuente de luz fría para limpiar la imagen con cavitación, y para la cavitación de imagen alrededor de un archivo endodóntico17,,29. La iluminación de campo brillante proporciona más contraste entre el fondo y las burbujas, lo que permite utilizar técnicas simples de segmentación como el umbral, como lo demuestra Rivas et al. para la toma de imágenes y la cuantificación de la erosión por cavitación y la limpieza a lo largo del tiempo29. La iluminación de campo oscuro hace que el umbral sea más difícil debido a la mayor variación en las escalas de grises4,,30. El análisis de imágenes se ha utilizado en otros estudios para recopilar más información sobre burbujas1,2. Vyas y otros utilizaron un enfoque de aprendizaje automático para segmentar burbujas de cavitación alrededor de un escalador ultrasónico20. El método descrito en el papel actual es más rápido porque utiliza umbrales simples, por lo que es menos intensivo computacionalmente, y se pueden analizar las burbujas que ocurren por encima y por debajo del escalador. Sin embargo, el método de umbral utilizado en el papel actual sólo es preciso si el fondo es uniforme. Si no es posible obtener un fondo uniforme durante la toma de imágenes, se pueden utilizar otras técnicas de procesamiento de imágenes, como el uso de resta de fondo utilizando un radio de bola rodante para corregir la iluminación desigual, filtrar utilizando filtros medios o gaussianos para eliminar el ruido, o también utilizar técnicas basadas en aprendizaje automático20,,31.
En conclusión, presentamos un protocolo de diagnóstico por imágenes y análisis de alta velocidad para la imagen y el cálculo del área de un objeto en movimiento microscópico. Hemos demostrado este método mediante la toma de imágenes de burbujas de cavitación alrededor de un escalador ultrasónico. Se puede utilizar para la cavitación por imágenes alrededor de otros instrumentos dentales como archivos endodónticos y se puede adaptar fácilmente para otras aplicaciones de imágenes de burbujas no dentales.
The authors have nothing to disclose.
Los autores agradecen la financiación del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas 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 |