Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
1. Настройка инструмента
- Выберите инструмент или объект для изображения. В этом эксперименте был изображен ультразвуковой масштабер. Пузырьки кавитации возникают вокруг кончиков ультразвуковых шкалеров в воде.
- Выберите этап микро позиционирования для инструмента, который будет изображен с помощью перевода и вращения XY. Поместите на лабораторный домкрат. Прикрепите ручку инструмента к этапу микро позиционирования
- Выберите оптически прозрачный контейнер для визуализации. Контейнер, используемый в этих экспериментах, был создан с помощью слайдов со стеклянным микроскопом.
- Выберите этап XY с платформой вращения. Поместите на лабораторный домкрат. Поместите контейнер для воды на сцену и заполните фильтрованной водой (обратный осмос или дистиллированной).
2. Высокоскоростная установка камеры
- Выберите высокоскоростную камеру с желаемой частотой кадров и разрешением и высокоинтенсивный источник света с направляющий выступ света волокна.
- Прикрепите микропозиционную раздвижную пластину к корпусу высокоскоростной камеры и подключите ее к штативу.
- Выберите объектив с желаемым разрешением и фокусным расстоянием и прикрепите его к камере. Для этого эксперимента использовался зум-объектив с разрешением 8,4 мкм/пиксель.
- Заполните резервуар для визуализации водой и распоистите кончик прибора, который будет изображен в резервуаре для воды в нужной ориентации.
- После подключения камеры и загрузки живого представления в программном обеспечении используйте низкое увеличение, чтобы сосредоточиться на кончике ультразвукового шкалера, при необходимости перепозиционирование источника света. Распоистив прибор и источник света перед камерой и сосредоточьтесь. Отрегулируйте к пожеланным тарифу кадра и яркости.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для визуализации с высокой скоростью кадров, короткими скоростями затвора и/или высокими увеличениями требуется более высокая интенсивность света. Освещение может быть обеспечено в режиме отражения или режиме передачи. В этом протоколе освещение обеспечивается в режиме передачи (яркое поле) с помощью высокоинтенсивного холодного освещения устройства. - Установите оптимальную частоту кадров и скорость затвора для высокоскоростной камеры. В этом эксперименте частота кадров составила 6400 кадров в секунду со скоростью затвора 262 наносекунды. Короткая скорость затвора требуется для быстро движущихся пузырьков, таких как пузырьки кавитации, чтобы убедиться, что они находятся в фокусе.
- Отрегулируйте увеличение зум-объектива и интенсивность источника света, чтобы фон был белым, не будучи переэкспонированным.
3. Калибровка
- Запись положения кончика (вращение в стадии x-y, угол вращения прибора для воспроизводимости).
- Чтобы обеспечить согласованное поле зрения для каждого повтора, выберите точку отсчета и заместите координаты. В этом случае точкой отсчета была верхушка ультразвукового шкалера. Затем он может быть перемещен в будущих экспериментах в том же месте в поле зрения.
- Если размер пикселя неизвестен, изображение graticule с 10 мкм маркировки на набор увеличения и использовать программное обеспечение анализа изображений, таких как Фиджи для расчета разрешения.
4. Высокоскоростная видеозапись
- Изображение инструмента без кавитации. Это будет вычтено из изображений кавитации при анализе изображения при расчете области пузырьков кавитации. Сохраните видео в таком формате, как TIFF, чтобы качество изображения не было потеряно.
- Изображение прибора, работающего с кавитацией. Убедитесь, что есть достаточные рамки для точного анализа, например, 5 повторов по 500 кадров каждый.
5. Обработка изображений
- СкачатьФиджи 19 с сайта ImageJ (https://imagej.net/Fiji). Был предоставлен макрокод ImageJ, который автоматически делает шаги анализа изображений, описанные ниже, а также может быть изменен в соответствии с приложением. Отдельные шаги макроса описаны шагами 5,3-5,5.
- Урожай изображения, чтобы удалить любые темные области в результате неравномерного освещения, если это необходимо. Убедитесь, что все изображения обрезаются одинакового размера и в одинаковой точке изображения.
- Преобразование изображений в двоичное путем автоматического порога с использованием одного из автоматических порогов. В этом примере используется минимальный автоматический порог.
- Запустите команду заполнения отверстий, чтобы удалить любые черные пиксели изнутри пузырьков, которые были ложно сегментированы.
- Рассчитайте гистограмму стека, чтобы показать количество пикселей, соответствующих шкале и кавитации в каждом кадре.
- В этом случае пиксели, соответствующие пузырям, белые и имеют значение 255. Сохраните эти измерения.
- Повторите шаги 5.3-5.6 для видео прибора, работающего без пузырей.
- Рассчитайте среднее количество ультразвукового наконечника шкалы только по результатам гистограммы.
- Вычесть среднее значение инструмента из каждой из областей, рассчитанных из видео пузырьков вокруг шкалы. Область пузырьков остается для измерения.
- Визуализация путем вычитания двоичного изображения шкалы из двоичного изображения шкалы с пузырьками с помощью калькулятора изображений на Фиджи.
- Рассчитайте среднее и стандартное отклонение области пузырьков.
- Преобразование значений из числа пикселей в область (в данном случаемкм 2)путем умножения на размер пикселя в квадрате. Рассчитайте размер каждого пикселя с помощью изображения решетки с помощью высокоскоростной камеры с тем же увеличением, что и для визуализации и использования ImageJ для настройки шкалы.
- Участок данных. Можно также провести статистический анализ, чтобы показать какую-либо существенную разницу в области пузырьков при сравнении различных условий.
6. Макрос ImageJ
- В меню ImageJ/Fiji, перейдите на Плагины Убедитесь, что IJ1 Macro проверяется под языковым меню и копирует и встраив следующий код. Нажмите запустить для выполнения макроса( Дополнительный файл).
Representative Results
Шаги анализа изображений можно увидеть на рисунке 1 для одного из проверенных ультразвуковых советов шкалы. Наконечник FSI 1000 и наконечник 10P были изображены внутри резервуара для воды с выключенной охлаждающей водой (рисунок 2). Кавитация произошла вблизи изгиба кончика FSI 1000 при максимальной мощности, и вблизи свободного конца в кончике 10P(рисунок 3 и рисунок 4). Средняя площадь кавитации составила 0,1 и 0,07мм 2 для наконечника FSI 1000 и 0,50 и 0,25мм 2 для наконечника 10P(рисунок 5).
Рисунок 1: Высокоскоростная настройка изображений и шаги анализа изображений (a)Схема высокоскоростной установки изображения, используемой в исследовании. b)Схема шагов анализа изображений, используемых в исследовании, показывающих необработанные изображения слева от кончика шкалы только и с кавитацией, которые затем были бинаризованы и вычтены друг от друга для расчета области облаков кавитации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Сравнение между различными советами высокоскоростных изображений stills показаны кавитации происходит вокруг двух ультразвуковых советы шкалы испытания (a ) FSI 1000 (b) 10P. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Совет 10P высокоскоростных изображений: Высокоскоростное изображение кадры наконечник 10P, из видео, снятого на 6400 кадров в секунду. Кавитация можно увидеть вокруг свободного конца кончика. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Совет FSI1000 высокоскоростных изображений: Высокоскоростное изображение кадры наконечник FSI 1000, из видео, снятого на 6400 кадров в секунду. Кавитация можно увидеть посередине кончика. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5: Результаты анализа изображений области кавитации. Средняя область кавитации происходит вокруг FSI 1000 и 10P ультразвуковой шкалер советы рассчитывается с помощью метода анализа изображений описано. Бары ошибок представляют собой стандартное отклонение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Дополнительный файл. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Discussion
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.
Disclosures
Авторов нечего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы благодарны за финансирование от инженерных и физических наук научно-исследовательский совет EP/P015743/1.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Asegehegn, T. W., Schreiber, M., Krautz, H. J. Investigation of bubble behavior in fluidized beds with and without immersed horizontal tubes using a digital image analysis technique. Journal of Power Technologies. 210 (3), 248-260 (2011).
- Busciglio, A., Vella, G., Micale, G., Rizzuti, L. Analysis of the bubbling behaviour of 2D gas solid fluidized beds: Part I. Digital image analysis technique. Chemical Engineering Journal. 140 (1), 398-413 (2008).
- Versluis, M.
- Matsumoto, H., Yoshimine, Y., Akamine, A. Visualization of irrigant flow and cavitation induced by Er: YAG laser within a root canal model. Journal of Endodontics. 37 (6), 839-843 (2011).
- Young, F. R. Cavitation. , World Scientific. (1999).
- Brennen, C. E. Cavitation and Bubble Dynamics. , Cambridge University Press. (2013).
- Leighton, T. The acoustic bubble. , Academic Press. (2012).
- Verhaagen, B., Rivas, D. F. Measuring cavitation and its cleaning effect. Ultrasonics Sonochemistry. 29, 619-628 (2016).
- Oulahal-Lagsir, N., Martial-Gros, A., Boistier, E., Blum, L., Bonneau, M. The development of an ultrasonic apparatus for the non-invasive and repeatable removal of fouling in food processing equipment. Letters in Applied Microbiology. 30 (1), 47-52 (2000).
- Gale, G. W., Busnaina, A. A. Roles of cavitation and acoustic streaming in megasonic cleaning. Particulate Science and Technology. 17 (3), 229-238 (1999).
- Erriu, M., et al. Microbial biofilm modulation by ultrasound: Current concepts and controversies. Ultrasonics Sonochemistry. 21, 15-22 (2014).
- Van der Sluis, L., Versluis, M., Wu, M., Wesselink, P. Passive ultrasonic irrigation of the root canal: a review of the literature. International Endodontic Journal. 40 (6), 415-426 (2007).
- Vyas, N., Sammons, R. L., Addison, O., Dehghani, H., Walmsley, A. D. A quantitative method to measure biofilm removal efficiency from complex biomaterial surfaces using SEM and image analysis. Scientific Reports. 6, 32694 (2016).
- Walmsley, A. D., Lea, S. C., Felver, B., King, D. C., Price, G. J. Mapping cavitation activity around dental ultrasonic tips. Clinical Oral Investigations. 17 (4), 1227-1234 (2013).
- Price, G. J., Tiong, T. J., King, D. C. Sonochemical characterisation of ultrasonic dental descalers. Ultrasonics Sonochemistry. 21, 2052-2060 (2014).
- Felver, B., King, D. C., Lea, S. C., Price, G. J., Damien Walmsley, A. Cavitation occurrence around ultrasonic dental scalers. Ultrasonics Sonochemistry. 16, 692-697 (2009).
- Macedo, R. G., et al. Sonochemical and high-speed optical characterization of cavitation generated by an ultrasonically oscillating dental file in root canal models. Ultrasonics Sonochemistry. 21, 324-335 (2014).
- Reuter, F., Lauterborn, S., Mettin, R., Lauterborn, W. Membrane cleaning with ultrasonically driven bubbles. Ultrasonics Sonochemistry. 37, 542-560 (2017).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Vyas, N., et al. High-speed Imaging of Cavitation around Dental Ultrasonic Scaler Tips. PLoS One. 11 (3), 0149804 (2016).
- Ahmed, F. S., Sensenich, B. A., Gheni, S. A., Znerdstrovic, D., Al Dahhan, M. H. Bubble dynamics in 2D bubble column: comparison between high-speed camera imaging analysis and 4-point optical probe. Chemical Engineering Communications. 202 (1), 85-95 (2015).
- Honkanen, M. Reconstruction of three-dimensional bubble surface from high-speed orthogonal imaging of dilute bubbly flow. Proceedings of Computational Methods in Multiphase Flow V, New Forest, UK. , 469-480 (2009).
- do Amaral, C. E., et al. Image processing techniques for high-speed videometry in horizontal two-phase slug flows. Flow Measurement and Instrumentation. 33, 257-264 (2013).
- Lau, Y., Deen, N., Kuipers, J. Development of an image measurement technique for size distribution in dense bubbly flows. Chemical Engineering Science. 94, 20-29 (2013).
- Matsumoto, Y., Yoshizawa, S. Behaviour of a bubble cluster in an ultrasound field. International Journal for Numerical Methods in Fluids. 47 (6-7), 591-601 (2005).
- Peeters, H. H., Iskandar, B., Suardita, K., Suharto, D. Visualization of removal of trapped air from the apical region of the straight root canal models generating 2-phase intermittent counter flow during ultrasonically activated irrigation. Journal of Endodontics. 40 (6), 857-861 (2014).
- Halford, A., et al. Synergistic effect of microbubble emulsion and sonic or ultrasonic agitation on endodontic biofilm in vitro. Journal of Endodontics. 38 (11), 1530-1534 (2012).
- Kauer, M., Belova-Magri, V., Cairós, C., Linka, G., Mettin, R. High-speed imaging of ultrasound driven cavitation bubbles in blind and through holes. Ultrasonics Sonochemistry. 48, 39-50 (2018).
- Rivas, D. F., et al. Localized removal of layers of metal, polymer, or biomaterial by ultrasound cavitation bubbles. Biomicrofluidics. 6 (3), 034114 (2012).
- Pishchalnikov, Y. A., et al. Cavitation Bubble Cluster Activity in the Breakage of Kidney Stones by Lithotripter Shockwaves. Journal of Endourology. 17 (7), 435-446 (2003).
- Sternberg, S. R.
