Imágenes y cuantificación del área de microburbujas de movimiento rápido mediante una cámara de alta velocidad y análisis de imágenes
5 de septiembre de 2020
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.
Las imágenes de alta velocidad se pueden utilizar para tomar imágenes de procesos rápidos, como la dinámica de burbujas de cavitación. Demostramos un método de imágenes de burbujas de cavitación alrededor de una punta de escalador ultrasónico dental. Cavitación alrededor de escaladores ultrasónicos se está investigando para la limpieza de la placa dental, pero el método que se muestra aquí podría ser utilizado para muchas aplicaciones diferentes.
También hemos desarrollado un protocolo de análisis de imágenes utilizando un software de código abierto que permite al usuario calcular el área de las burbujas de cavitación para permitir comparaciones entre diferentes experimentos. Para crear la configuración experimental, necesitará una cámara de alta velocidad, una fuente de luz fría de alta intensidad, dos tomas de laboratorio, una etapa de microposicionamiento con rotación, una etapa de microposición 3D, un objetivo de zoom de microscopio y un escalador ultrasónico para generar microburbujas de cavitación, o el objeto que desea crear. Para comenzar el procedimiento, adjunte una etapa de microposicionamiento con la traducción y rotación XYZ a un conector de laboratorio.
Fijar la pieza de mano del escalador ultrasónico en la etapa de microposicionamiento. Utilice una cámara de alta velocidad con la velocidad de fotogramas y la resolución deseadas. Coloque una placa deslizante de microposición en el cuerpo de la cámara de alta velocidad y conéctela a un trípode.
Utilice una lente con la resolución deseada y lente focal y adjúntela al cuerpo de la cámara de alta velocidad. Coloque una etapa de microposicionamiento XY con rotación a otra toma de laboratorio y coloque un tanque de imágenes ópticamente transparente encima de esto. También necesitará una fuente de luz fría de alta intensidad con una guía de luz de fibra.
Llene el tanque de imágenes con agua y sumerja la punta del instrumento dentro del tanque. Conecte la cámara y cargue la vista en vivo en el software de imágenes. Utilice un aumento bajo para centrarse en la punta del escalador ultrasónico, reposicionando la fuente de luz si es necesario.
En este estudio, la iluminación se proporcionó en modo de campo brillante. Seleccione la velocidad de fotogramas y la velocidad de obturación óptimas para la cámara de alta velocidad. En este caso, se eligió una velocidad de obturación corta de 262 nanosegundos para garantizar que las burbujas de cavitación de movimiento rápido estuvieran enfocadas.
Ajuste el aumento del objetivo de zoom y la intensidad de la fuente de luz, para que el fondo sea blanco sin estar sobreexpuesto. Registre el ángulo de rotación de la punta para la reproducibilidad. 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. Si se realizará un análisis de imagen, tome una imagen del instrumento sin ninguna cavitación. Esto se utilizará para restar el área del instrumento para calcular el área de las burbujas.
A continuación, imagine la cavitación alrededor del instrumento. Estos son videos de alta velocidad de cavitación que ocurren alrededor de diferentes puntas de escalador ultrasónico. En este estudio, el análisis de imágenes se utilizó para calcular el área media de cavitación que se produce, y estos gráficos muestran la comparación entre diferentes puntas.
Esta técnica es útil para los patrones de burbujas de imagen y sus ubicaciones exactas, lo que es útil para comprender cómo se podrían utilizar las burbujas de cavitación para diferentes aplicaciones, como la limpieza. Estos experimentos de imágenes de alta velocidad también se pueden validar con nuevas simulaciones médicas. Hemos utilizado artículos basados en el modelado de elementos finitos para simular la interacción tridimensional, no lineal y transitoria entre la vibración y la formación de la punta del escalador.
También simulamos el flujo de agua alrededor del escalador, y la formación de cavitación y su dinámica. Este protocolo muestra la forma relativamente sencilla de crear una configuración de imágenes de alta velocidad, que cuando se domina correctamente, puede ser útil para la toma de imágenes de burbujas de cavitación alrededor de escaladores ultrasónicos dentales, y también para la toma de imágenes de otros tipos de instrumentos que producen microburbujas de cavitación. Después de ver este video, usted debe tener una buena comprensión de cómo crear una configuración de imágenes de alta velocidad para crear imágenes de microburbujas de movimiento rápido.
La principal ventaja de este método es fácil de configurar, y el análisis rápido de imágenes se puede aplicar fácilmente a cientos de imágenes. Esta técnica ayudará a los investigadores a utilizar imágenes de alta velocidad para tomar imágenes de microburbujas de movimiento rápido, y se puede adaptar fácilmente para varias aplicaciones de imágenes de burbujas.
Visión general
Este artículo presenta un método para la obtención de imágenes de microburbujas de cavitación mediante fotografía de alta velocidad. Se discuten las técnicas de configuración y análisis de imágenes, lo que permite el cálculo de áreas de cavitación.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Biofísica
- Ingeniería biomédica
Antecedentes
- Las burbujas de cavitación son importantes en varias aplicaciones, incluida la limpieza dental.
- Las imágenes de alta velocidad capturan procesos rápidos como la dinámica de las burbujas.
- El análisis de imágenes puede cuantificar las áreas de cavitación para estudios comparativos.
- El estudio tiene como objetivo mejorar la comprensión de la cavitación para aplicaciones prácticas.
Propósito del estudio
- Demostrar una técnica de imagen de alta velocidad para burbujas de cavitación.
- Desarrollar un protocolo de análisis de imágenes para cuantificar áreas de cavitación.
- Facilitar comparaciones entre diferentes puntas de scaler ultrasónico.
Métodos utilizados
- La configuración incluye una cámara de alta velocidad, fuente de luz y scaler ultrasónico.
- Se utiliza el software ImageJ para el análisis de imágenes y el cálculo del área.
- Se graban videos de alta velocidad para capturar la dinámica de la cavitación.
- Las condiciones experimentales se estandarizan para la reproducibilidad.
Resultados principales
- Se calculó el área media de las burbujas de cavitación y se comparó entre diferentes puntas.
- Las imágenes de alta velocidad capturaron eficazmente los patrones y dinámica de las burbujas.
- El método es adaptable para varias aplicaciones más allá de la limpieza dental.
- Los resultados pueden validarse con simulaciones de modelado de elementos finitos.
Conclusiones
- El estudio proporciona un método sencillo para la obtención de imágenes de alta velocidad de la cavitación.
- El análisis rápido de imágenes puede aplicarse a numerosas imágenes para estudios exhaustivos.
- Esta técnica mejora las capacidades de investigación en la obtención de imágenes de microburbujas de movimiento rápido.
Preguntas frecuentes
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.
