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

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.