Bildgebung und Quantifizierung des Bereichs der schnelllebigen Mikroblasen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera und Bildanalyse
5. September 2020
Kavitationsmikroblasen werden mit einer Hochgeschwindigkeitskamera an einem Zoomobjektiv abgebildet. Der Versuchsaufbau wird erklärt, und die Bildanalyse wird verwendet, um die Fläche der Kavitation zu berechnen. Die Bildanalyse erfolgt mit ImageJ.
Hochgeschwindigkeits-Bildgebung kann verwendet werden, um schnelle Prozesse abzubilden, wie z. B. Kavitationsblasendynamik. Wir zeigen eine Methode der Bildgebung Kavitationsblasen um eine zahnärztliche Ultraschall-Skalaspitze. Kavitation um Ultraschall-Skalierer wird für die Reinigung von Zahnbelag erforscht, aber die hier gezeigte Methode könnte für viele verschiedene Anwendungen verwendet werden.
Wir haben auch ein Bildanalyseprotokoll mit Open-Source-Software entwickelt, die es dem Benutzer ermöglicht, den Bereich der Kavitationsblasen zu berechnen, um Vergleiche zwischen verschiedenen Experimenten zu ermöglichen. Um den Versuchsaufbau zu erstellen, benötigen Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera, eine hochintensive Kaltlichtquelle, zwei Laborbuchsen, eine Mikropositionierungsstufe mit Rotation, eine 3D-Mikropositionierungsstufe, ein Mikroskop-Zoomobjektiv und einen Ultraschall-Skalierer, um Kavitationsmikroblasen zu erzeugen, oder das Objekt, das Sie abbilden möchten. Um das Verfahren zu beginnen, befestigen Sie eine Mikropositionierungsstufe mit XYZ-Übersetzung und -Rotation an einer Laborbuchse.
Fixieren Sie das Handstück des Ultraschall-Skalierers in der Mikropositionierungsstufe. Verwenden Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera mit der gewünschten Bildrate und Auflösung. Befestigen Sie eine mikropositionierende Schiebeplatte am Hochgeschwindigkeitskamerakörper und schließen Sie sie an ein Stativ an.
Verwenden Sie ein Objektiv mit der gewünschten Auflösung und Brennlinse und befestigen Sie es am Highspeed-Kamerakörper. Befestigen Sie eine XY-Mikropositionierungsstufe mit Drehung an einer anderen Laborbuchse und legen Sie einen optisch transparenten Bildgebungsbehälter darauf. Sie benötigen auch eine hochintensive kaltlichtquelle mit einer Faserlichtführung.
Füllen Sie den Bildgebungsbehälter mit Wasser und tauchen Sie die Spitze des Instruments in den Tank ein. Schließen Sie die Kamera an und laden Sie die Live-Ansicht in die Bildverarbeitungssoftware. Verwenden Sie eine geringe Vergrößerung, um sich auf die Spitze des Ultraschall-Skalierers zu konzentrieren, und positionieren Sie die Lichtquelle bei Bedarf neu.
In dieser Studie wurde die Beleuchtung im hellen Feldmodus bereitgestellt. Wählen Sie die optimale Bildrate und Verschlusszeit für die Hochgeschwindigkeitskamera aus. In diesem Fall wurde eine kurze Verschlusszeit von 262 Nanosekunden gewählt, um sicherzustellen, dass die sich schnell bewegenden Kavitationsblasen im Fokus standen.
Passen Sie die Vergrößerung des Zoomobjektivs und die Intensität der Lichtquelle an, sodass der Hintergrund weiß ist, ohne überbelichtet zu werden. Zeichnen Sie den Drehwinkel der Spitze für die Reproduzierbarkeit auf. Um sicherzustellen, dass das Sichtfeld für jede Wiederholung konsistent ist, wählen Sie einen Referenzpunkt aus, und notieren Sie sich die Koordinaten.
In diesem Fall war der Bezugspunkt die Spitze des Ultraschall-Skalierers. Wenn eine Bildanalyse durchgeführt wird, nehmen Sie ein Bild des Instruments ohne Kavitation. Dies wird verwendet, um die Fläche des Instruments zu subtrahieren, um die Fläche der Blasen zu berechnen.
Dann bilden Sie die Kavitation um das Instrument. Dies sind Hochgeschwindigkeitsvideos von Kavitation, die um verschiedene Ultraschall-Skalarspitzen auftreten. In dieser Studie wurde die Bildanalyse verwendet, um den mittleren Kavitationsbereich zu berechnen, der auftritt, und diese Diagramme zeigen den Vergleich zwischen verschiedenen Spitzen.
Diese Technik ist nützlich für die Abbildung von Blasenmustern und deren genauen Positionen, was nützlich ist, um zu verstehen, wie Kavitationsblasen für verschiedene Anwendungen wie die Reinigung verwendet werden können. Diese Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsexperimente können auch mit neuen medizinischen Simulationen validiert werden. Wir haben Artikel verwendet, die auf finite Elementmodellierung basieren, um die dreidimensionale, nichtlineare und transiente Wechselwirkung zwischen der Schwingung und der Bildung der Skalenspitze zu simulieren.
Wir simulierten auch den Wasserfluss um den Scaler, die Kavitationsbildung und ihre Dynamik. Dieses Protokoll zeigt die relativ einfache Möglichkeit, ein Hochgeschwindigkeits-Bildgebungs-Setup zu erstellen, das, wenn es richtig gemastert wird, für bildgebende Kavitationsblasen um zahnärztliche Ultraschall-Skalenfänger nützlich sein kann, und auch für die Abbildung anderer Arten von Instrumenten, die Kavitationsmikroblasen herstellen. Nachdem Sie sich dieses Video angeschaut haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie eine Hochgeschwindigkeits-Bildgebung erstellen, die auf schnell lebbereite Mikroblasen eingestellt ist.
Der Hauptvorteil dieser Methode ist einfach einzurichten, und die schnelle Bildanalyse kann leicht auf Hunderte von Bildern angewendet werden. Diese Technik wird Forschern helfen, High-Speed-Bildgebung zu verwenden, um schnell bewegliche Mikroblasen abzubilden, und es kann leicht für verschiedene Blasenbildanwendungen angepasst werden.
Übersicht
Dieser Artikel stellt eine Methode zur Bildgebung von Kavitationsmikrobläschen mittels Hochgeschwindigkeitsfotografie vor. Der Aufbau und die Bildanalysetechniken werden diskutiert, die die Berechnung von Kavitationsbereichen ermöglichen.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Biophysik
- Biomedizintechnik
Hintergrund
- Kavitationsblasen sind in verschiedenen Anwendungen wichtig, einschließlich der Zahnreinigung.
- Hochgeschwindigkeitsaufnahmen erfassen schnelle Prozesse wie Blasendynamiken.
- Bildanalyse kann Kavitationsbereiche für vergleichende Studien quantifizieren.
- Die Studie zielt darauf ab, das Verständnis von Kavitation für praktische Anwendungen zu verbessern.
Zweck der Studie
- Zur Demonstration einer Hochgeschwindigkeits-Bildgebungstechnik für Kavitationsblasen.
- Zur Entwicklung eines Bildanalyseprotokolls zur Quantifizierung von Kavitationsbereichen.
- Um Vergleiche zwischen verschiedenen Ultraschall-Scaler-Spitzen zu erleichtern.
Verwendete Methoden
- Der Aufbau umfasst eine Hochgeschwindigkeitskamera, Lichtquelle und Ultraschall-Scaler.
- Die ImageJ-Software wird für die Bildanalyse und Flächenberechnung verwendet.
- Hochgeschwindigkeitsvideos werden aufgezeichnet, um die Kavitationsdynamik zu erfassen.
- Die experimentellen Bedingungen sind für die Reproduzierbarkeit standardisiert.
Hauptergebnisse
- Die mittlere Fläche der Kavitationsblasen wurde berechnet und zwischen verschiedenen Spitzen verglichen.
- Die Hochgeschwindigkeitsbildgebung erfasste effektiv Blasenmuster und Dynamiken.
- Die Methode ist für verschiedene Anwendungen jenseits der Zahnreinigung anpassbar.
- Die Ergebnisse können durch Finite-Elemente-Modellierungssimulationen validiert werden.
Schlussfolgerungen
- Die Studie bietet eine unkomplizierte Methode zur Hochgeschwindigkeitsbildgebung von Kavitation.
- Schnelle Bildanalyse kann auf zahlreiche Bilder für umfassende Studien angewendet werden.
- Diese Technik verbessert die Forschungsfähigkeiten bei der Bildgebung schnellbewegter Mikrobläschen.
Häufig gestellte Fragen
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.
