使用高速摄像机和图像分析对快速移动微泡区域进行成像和定量
September 5th, 2020
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。
高速成像可用于成像快速过程，如气穴气泡动力学。我们演示了一种在牙科超声波刻度器尖端周围成像气穴气泡的方法。正在研究超声波刻度器周围的气穴，用于清洁牙菌斑，但此处显示的方法可用于许多不同的应用。
我们还开发了一个图像分析协议，使用开源软件，允许用户计算气穴气泡的面积，以便比较不同的实验。要创建实验设置，您需要一个高速摄像机、一个高强度冷光源、两个实验室插孔、一个旋转的微定位台、一个 3D 微定位台、一个显微镜变焦镜头和一个超声波缩放器来生成气穴微泡或您要拍摄的物体。要开始该过程，请将具有 XYZ 平移和旋转的微定位阶段连接到实验室插孔。
在微定位阶段固定超声波刻度器的手持件。使用具有所需帧速率和分辨率的高速摄像机。将微定位滑动板连接到高速摄像机机身，并将其连接到三脚架。
使用具有所需分辨率和焦距镜头的镜头，并将其连接到高速摄像机机身。将 XY 微定位台旋转到另一个实验室插孔上，并在其上放置一个光学透明的成像罐。您还需要一个带光纤导光的高强度冷光源。
向成像罐加水，将仪器尖端浸入水箱内。连接摄像机并在成像软件中加载实时视图。使用低放大倍率聚焦超声波刻度器的尖端，必要时重新定位光源。
本研究以亮场模式提供照明。选择高速摄像机的最佳帧速率和快门速度。在这种情况下，选择了 262 纳秒的短快门速度，以确保快速移动的气穴气泡成为焦点。
调整变焦镜头的放大倍率和光源的强度，使背景为白色，而不会过度曝光。记录尖端的旋转角度，以进行可重复性。为确保每次重复的视场一致，请选择参考点并记下坐标。
在这种情况下，参考点是超声波刻度器的尖端。如果进行图像分析，则无需气穴即可拍摄仪器的图像。这将用于减去仪器的面积，以计算气泡的面积。
然后，对仪器周围的气穴进行成像。这些是围绕不同的超声波刻度器尖端发生的气穴的高速视频。本研究采用图像分析计算气穴发生平均面积，这些图显示了不同尖端之间的比较。
此技术可用于成像气泡模式及其确切位置，这对于了解如何将气穴气泡用于不同的应用（如清洁）非常有用。这些高速成像实验也可以通过新的医学模拟进行验证。我们使用基于有限元建模的文章来模拟振动与刻度器尖端的形成之间的三维、非线性和瞬态相互作用。
我们还模拟了缩放器周围的水流，以及气穴的形成及其动力学。该协议显示了创建高速成像设置的相对简单方法，当正确掌握时，可用于成像牙科超声波刻度器周围的气穴气泡，也可用于成像产生气穴微气泡的其他类型的仪器。看完此视频后，您应该对如何创建高速成像设置以快速移动的微泡有一个很好的了解。
该方法的主要优点是易于设置，快速图像分析可轻松应用于数百个图像。该技术将帮助研究人员使用高速成像成像快速移动的微气泡，并可以很容易地适应各种气泡成像应用。
概述
本文介绍了一种使用高速摄影技术对气化微气泡进行成像的方法。讨论了设备设置和图像分析技术，以便计算气化区域。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物物理学
- 生物医学工程学
背景
- 气化气泡在各种应用中非常重要，包括牙齿清洁。
- 高速成像能捕捉气泡动力学等快速过程。
- 图像分析可以量化气化区域以用于比较研究。
- 该研究旨在改善对气化现象的理解以用于实际应用。
研究目的
- 展示气化气泡的高速成像技术。
- 开发一个用于量化气化区域的图像分析协议。
- 促进不同超声清洁器尖端之间的比较。
使用的方法
- 设备包括高速摄像机、光源和超声清洁器。
- 使用ImageJ软件进行图像分析和面积计算。
- 记录高速视频以捕捉气化动力学。
- 实验条件标准化以确保可重复性。
主要结果
- 计算并比较了不同尖端的气化气泡的平均面积。
- 高速成像有效地捕捉了气泡模式和动力学。
- 该方法适用于牙齿清洁之外的各种应用。
- 结果可以通过有限元建模模拟进行验证。
结论
- 该研究提供了一种高速成像气化的直接方法。
- 快速图像分析可以应用于大量图像以进行全面研究。
- 该技术增强了成像快速移动微气泡的研究能力。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables quantitative assessment of cavitation dynamics, supporting target validation in therapeutic ultrasound applications. By providing reproducible imaging and area calculation of fast-moving microbubbles, it enhances predictive confidence in mechanistic de-risking for ultrasound-mediated drug delivery or biofilm disruption strategies. The approach supports early discovery workflows where physical force-based mechanisms require validation before translational investment.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cavitation as a physical mechanism for target engagement in ultrasound-mediated therapies.
- Operational Value: Provides standardized imaging protocol to compare cavitation output across different ultrasonic devices or conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative cavitation area measurements to enable assay-like comparison of microbubble generation efficiency.
- Operational Value: Uses open-source image analysis for accessible, replicable quantification without custom programming.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant system evaluation by characterizing cavitation in aqueous environments mimicking biological fluids.
- Operational Value: Enables continuity from discovery to preclinical validation through standardized bubble dynamics assessment.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within early discovery to preclinical workflows where ultrasound-induced cavitation is evaluated as a mechanistic driver for target modulation or antimicrobial action.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of cavitation-mediated biological effects through direct visualization and quantification.
- Screening: Enables assay readiness by standardizing cavitation bubble imaging and area calculation across experimental replicates.
- Analytics: Delivers quantitative dependent variable measurements (cavitation area) for comparing conditions or device performance.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by validating physical mechanism consistency in relevant environments.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging and quantification platform for cavitation-based mechanism evaluation across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in ultrasound-mediated therapies by providing direct cavitation visualization.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized setup, reference point tracking, and background subtraction.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by quantifying physical mechanism output before biological validation.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of ultrasound-based approaches using empirical cavitation data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in high-speed imaging setup and optical alignment for bubble visualization.
- Dependent on high-speed camera, macro/micro lens, and synchronized lighting for clear cavitation capture.
- Necessitates cross-team standardization of imaging parameters (frame rate, shutter speed, reference point) for data comparability.
- Involves adaptation considerations when applying to different fluid viscosities or containment systems.
- Limited by the need for optically accessible setups and cavitation-stable environments for reliable imaging.
