Method Article

Imágenes y cuantificación del área de microburbujas de movimiento rápido mediante una cámara de alta velocidad y análisis de imágenes

DOI:

10.3791/61509

⸱

September 5th, 2020

 ,  ,  , 
1School of Dentistry, University of Birmingham, 2Department of Mathematics, University of Birmingham

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Configuración del instrumento

  1. Seleccione el instrumento u objeto que desea tomar la imagen. En este experimento se hizo una imagen de un escalador ultrasónico. Las burbujas de cavitación se producen alrededor de las puntas de los escaladores ultrasónicos en el agua.
  2. Seleccione una etapa de posicionamiento micro para el instrumento que se va a tomar una imagen con la traducción y rotación XYZ. Colocar en una toma de laboratorio. Fije el mango del instrumento a la etapa de microposicionamiento
  3. Seleccione un recipiente de agua ópticamente transparente para obtener imágenes. El contenedor utilizado en estos experimentos fue creado con diapositivas de microscopio de vidrio.
  4. Seleccione una etapa XY con una plataforma de rotación. Colocar en una toma de laboratorio. Coloque el recipiente de agua en el escenario y llene con agua filtrada (ósmosis inversa o destilada).

2. Configuración de la cámara de alta velocidad

  1. Seleccione una cámara de alta velocidad con la velocidad de fotogramas y la resolución deseadas y una fuente de luz de alta intensidad con una guía de luz de fibra.
  2. Coloque una placa deslizante de microposición en el cuerpo de la cámara de alta velocidad y conéctela a un soporte de trípode.
  3. Seleccione una lente con la resolución y la distancia focal deseadas y adjúntelo a la cámara. Para este experimento se utilizó un objetivo de zoom con una resolución de 8,4 m/píxel.
  4. Llene el tanque de imágenes con agua y coloque la punta del instrumento a tomar la imagen en el tanque de agua en la orientación deseada.
  5. Después de conectar la cámara y cargar la vista en vivo en el software, utilice un aumento bajo para centrarse en la punta del escalador ultrasónico, reposicionando la fuente de luz si es necesario. Coloque el instrumento y la fuente de luz delante de la cámara y enfoque. Ajuste a la velocidad de fotogramas y el brillo deseados.
    NOTA: Se requiere una mayor intensidad de luz para la toma de imágenes a altas velocidades de fotogramas, velocidades de obturación cortas y/o aumentos altos. La iluminación se puede proporcionar en modo de reflexión o modo de transmisión. En este protocolo la iluminación se proporciona en modo de transmisión (campo brillante) utilizando un dispositivo de iluminación en frío de alta intensidad.
  6. Establezca una velocidad de fotogramas y una velocidad de obturación óptimas para la cámara de alta velocidad. En este experimento la velocidad de fotogramas fue de 6400 fps con una velocidad de obturación de 262 nanosegundos. Se requiere una velocidad de obturación corta para burbujas en movimiento rápido, como burbujas de cavitación, para asegurarse de que están enfocadas.
  7. Ajuste el aumento del objetivo de zoom y la intensidad de la fuente de luz para que el fondo sea blanco sin estar sobreexpuesto.

3. Calibración

  1. Registre la posición de la punta (rotación en etapa x-y, ángulo de rotación del instrumento para reproducibilidad).
  2. Para asegurarse de que el campo de visión es coherente para cada repetición, elija un punto de referencia y anote las coordenadas. En este caso el punto de referencia era la punta del escalador ultrasónico. A continuación, se puede cambiar la posición en futuros experimentos en el mismo lugar dentro del campo de visión.
  3. Si se desconoce el tamaño de los píxeles, imagine una retícula con marcas de 10 m en el aumento del conjunto y utilice un software de análisis de imágenes como Fiji para calcular la resolución.

4. Grabación de vídeo de alta velocidad

  1. Imagen del instrumento sin cavitación. Esto se restará de las imágenes de cavitación en el análisis de imágenes al calcular el área de las burbujas de cavitación. Guarde los vídeos en un formato como TIFF para que no se pierda la calidad de imagen.
  2. Imagen del instrumento que funciona con cavitación. Asegúrese de que haya suficientes tramas para un análisis preciso, por ejemplo 5 repeticiones con 500 fotogramas cada una.

5. Procesamiento de imágenes

  1. Descargue Fiji19 desde el sitio web de ImageJ (https://imagej.net/Fiji). Se ha proporcionado un código de macro ImageJ que realiza automáticamente los pasos de análisis de imágenes descritos a continuación y también se puede cambiar para adaptarse a la aplicación. Los pasos individuales de la macro se describen en los pasos 5.3-5.5.
  2. Recorte la imagen para eliminar las áreas más oscuras resultantes de una iluminación desigual, si es necesario. Asegúrese de que todas las imágenes se recortan al mismo tamaño y en el punto idéntico de la imagen.
  3. Convierta las imágenes a binarias mediante el umbral automático mediante uno de los umbrales automáticos. En este ejemplo se utiliza el umbral automático mínimo.
  4. Ejecute el comando de rellenar agujeros para eliminar los píxeles negros del interior de las burbujas que se segmentaron falsamente.
  5. Calcule el histograma de la pila para mostrar el número de píxeles correspondientes al escalador y la cavitación en cada fotograma.
  6. En este caso, los píxeles correspondientes a las burbujas son blancos y tienen el valor 255. Guarde estas mediciones.
  7. Repita los pasos 5.3-5.6 para el vídeo del instrumento que funciona sin las burbujas.
  8. Calcular el área media de la punta del escalador ultrasónico sólo a partir de los resultados del histograma.
  9. Restar el área media del instrumento de cada una de las áreas calculadas de los videos de las burbujas alrededor del escalador. El área de las burbujas se deja a medida.
  10. Visualice restando la imagen binaria del escalador de la imagen binaria del escalador con burbujas utilizando la calculadora de imágenes en Fiji.
  11. Calcular la media y la desviación estándar del área de las burbujas.
  12. Convierta los valores del número de píxeles en el área (en este caso, m2) multiplicando por el tamaño de píxel al cuadrado. Calcule el tamaño de cada píxel mediante una imagen de una retícula con la cámara de alta velocidad con la misma ampliación que se utilizó para la creación de imágenes y utilice ImageJ para ajustar la escala.
  13. Trazar los datos. También es posible realizar análisis estadísticos para mostrar cualquier diferencia significativa en el área de las burbujas si se comparan diferentes condiciones.

6. Macro ImageJ

  1. En el menú ImageJ/Fiji, vaya a Plugins > Nuevo > Macro. Asegúrese de que IJ1 Macro está activado en el menú de idioma y copie y pegue el siguiente código. Haga clic en Ejecutar para ejecutar la macro (Archivo suplementario).

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los pasos de análisis de imagen se pueden ver en la Figura 1 para una de las puntas del escalador ultrasónico probadas. Una punta FSI 1000 y una punta 10P fueron imágenes dentro de un tanque de agua con el agua de refrigeración apagada (Figura 2). La cavitación se produjo cerca de la curvatura de la punta FSI 1000 a máxima potencia, y cerca del extremo libre en la punta 10P(Figura 3 y Figura 4). El área media de cavitación fue de 0,1 a 0,07 mm2 para la punta FSI 1000 y de 0,50 a 0,25 mm2 para la punta 10P(Figura 5).

figure-results-1
Figura 1: Configuración de imágenes de alta velocidad y pasos de análisis de imágenes (a) Esquema de la configuración de imágenes de alta velocidad utilizada en el estudio. (b) Esquema de los pasos de análisis de imagen utilizados en el estudio, mostrando las imágenes sin procesar a la izquierda de la punta del escalador solamente y con cavitación, que luego fueron binarizadas y restadas entre sí para calcular el área de las nubes de cavitación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-2
Figura 2: Comparación entre diferentes puntas Imágenes de alta velocidad que muestran la cavitación que ocurre alrededor de las dos puntas de escalador ultrasónicos probados (a) FSI 1000 (b) 10P. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-3
Figura 3: Consejo Imágenes de alta velocidad 10P: imágenes de imagen de alta velocidad de la punta 10P, de un vídeo tomado a 6400 fotogramas por segundo. La cavitación se puede ver alrededor del extremo libre de la punta. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-4
Figura 4: Consejo FSI1000 imágenes de alta velocidad: imágenes de imagen de alta velocidad de la punta FSI 1000, de un vídeo tomado a 6400 fotogramas por segundo. La cavitación se puede ver alrededor de la mitad de la punta. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-5
Figura 5: Resultados del análisis de imágenes del área de cavitación. El área media de cavitación que ocurre alrededor de las puntas del escalador ultrasónico FSI 1000 y 10P calculada utilizando la técnica de análisis de imágenes descrita. Las barras de error representan la desviación estándar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Archivo Suplementario. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discussion

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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.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores agradecen la financiación del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas EP/P015743/1.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Accesorio de 0,25xNavitar1-50011
12x con enfoque fino de 12 mm
Lente de zoom para microscopio de larga distancia		Navitar1-50486
Adaptador 2x con montura fNavitar1-62922
Raspador ultrasónico Cavitron PlusDentsply Sirona8184003
Cavitron Inserto ultrasónico FSI 1000FSI 1000Dentsply SironaUCAFTHD
Guía de luz de fibra. Haz de fibra de 8 mm de longitud 1500 mm. Conjunto de lente de enfoque para luz Hayashi, trípode de 1/4"-20< rosca br/> para montaje.HayashiLGC1-
8L1500
Cabezal de engranajesManfrottoMN4057,5 kg de capacidad de carga
HDF7010 fuente de luz de endoscopio LED de alta potencia
. El LED de 150 W proporciona una salida en frío equivalente a 250 W
xenón.		HayashiLA-HDF710
TrípodeManfrottoMN475BColumna central engranada, capacidad de carga de 12 kg
Cámara de alta velocidadPhotron103526FASTCAM Mini AX200 900K M3 (16 GB de memoria)
Rotación de alta precisión  EtapaThorlabsPR01/M
Gatos de laboratorioCamlab1194083
Placa deslizante de microposicionamientoManfrottoSKU 454
Etapa de microposicionamiento 3DThorlabsPT3/M
Rotación de la etapa de microposicionamientoThorlabsOCT-XYR1/MOCT-XYR1/M - Etapa XY con placa superior sólida
NEWTRON P5 XS Raspador ultrasónico ActeonF62118
Inserto ultrasónico 10PActeonF00253
pesado

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