Method Article

Imagerie et quantification de la zone des microbulles en mouvement rapide à l’aide d’une caméra à grande vitesse et d’une analyse d’images

DOI:

10.3791/61509

⸱

September 5th, 2020

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

In This Article

Summary

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

Les microbulles de cavitation sont photographiés à l’aide d’une caméra haute vitesse attachée à une lentille de zoom. La configuration expérimentale est expliquée, et l’analyse d’image est utilisée pour calculer la zone de la cavitation. L’analyse d’image se fait à l’aide d’ImageJ.

Abstract

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

Une technique expérimentale et d’analyse d’image est présentée pour l’imagerie des bulles de cavitation et le calcul de leur zone. La technique expérimentale d’imagerie à haute vitesse et le protocole d’analyse d’image présentés ici peuvent également être appliqués pour l’imagerie des bulles microscopiques dans d’autres domaines de recherche; par conséquent, il dispose d’un large éventail d’applications. Nous l’appliquons à la cavitation d’image autour des échellateurs ultrasoniques dentaires. Il est important de l’image cavitation pour le caractériser et de comprendre comment il peut être exploité pour diverses applications. La cavitation se produisant autour des écalaires ultrasoniques dentaires peut être employée comme nouvelle méthode d’enlèvement dentaire de plaque, qui serait plus efficace et causerait moins de dommages que les techniques de thérapie parodontales actuelles. Nous présentons une méthode pour l’imagerie des nuages de bulle de cavitation se produisant autour des bouts d’échelle ultrasonique dentaire utilisant une caméra à grande vitesse et une lentille de zoom. Nous calculons également la zone de cavitation à l’aide de l’analyse d’image d’apprentissage automatique. Le logiciel open source est utilisé pour l’analyse d’images. L’analyse d’image présentée est facile à reproduire, ne nécessite pas d’expérience de programmation et peut être modifiée facilement en fonction de l’application de l’utilisateur.

Introduction

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

L’imagerie du mouvement des bulles est importante pour diverses applications car elle contrôle l’hydrodynamique d’un système. Il existe de nombreuses applications où cela peut être utile: dans les réacteurs de lit fluidisés1,2, ou pour le nettoyage avec des bulles de cavitation3,4. Le but des bulles d’imagerie est de mieux comprendre la dynamique des bulles ou la direction et le mouvement d’un nuage de bulles. Cela peut se faire par l’observation des structures imaged et aussi en utilisant l’analyse d’image pour obtenir des informations quantitatives, telles que la taille des bulles.

Les bulles de cavitation sont des entités de gaz ou de vapeur qui se produisent dans un fluide lorsque la pression descend en dessous de la valeur de pression saturée5. Ils peuvent se produire lorsqu’un champ acoustique est appliqué à un fluide à des fréquences ultrasoniques. Ils se développent et s’effondrent à plusieurs reprises, et lors de l’effondrement peut libérer de l’énergie sous la forme de micro-jets à grande vitesse et ondes de choc6,7. Ceux-ci peuvent déloger les particules sur une surface par des forces de cisaillement et provoquer le nettoyage de surface8. Des bulles de cavitation sont à l’étude pour le nettoyage de surface dans différentes industries, telles que pour les semi-conducteurs, les aliments et le nettoyage des plaies9,10,11,12. Ils pourraient également être utilisés pour nettoyer la plaque dentaire des dents et des biomatériaux tels que les implants dentaires12,13. La cavitation se produit autour des instruments dentaires actuellement utilisés tels que les balanceurs ultrasoniques et les fichiers endodontiques et montre le potentiel comme un processus de nettoyage supplémentaire avec ces instruments14.

L’oscillation des bulles de cavitation se produit sur quelques microsecondes et donc une caméra à haute vitesse est nécessaire pour capturer leur mouvement par imagerie à des milliers d’images par seconde8. Nous démontrons une méthode d’imagerie de la cavitation microbulles autour des échellateurs ultrasoniques dentaires. L’objectif est de comprendre comment la cavitation varie selon les échelles ultrasoniques, de sorte qu’elle peut être optimisée comme une nouvelle façon de nettoyer la plaque dentaire.

Les méthodes précédentes utilisées pour étudier la cavitation incluent la sonochemiluminesence, qui utilise le luminol pour détecter où la cavitation s’est produite15,16. Cependant, il s’agit d’une technique indirecte et il n’est pas en mesure de visualiser les bulles de cavitation en temps réel. Par conséquent, il n’est pas en mesure de déterminer avec précision exactement où il se produit sur l’instrument, et aucune information ne peut être obtenue sur la dynamique des bulles, à moins qu’elle ne soit combinée avec d’autres techniques d’imagerie17. L’imagerie à grande vitesse peut imager non seulement les bulles de cavitation qui se développent et s’effondrent, mais aussi le type de cavitation qui se produit : nuages de cavitation, microstreamers et micro-jets6,7,18. Ceux-ci donnent plus d’informations sur la façon dont la cavitation peut nettoyer les surfaces.

Nous présentons une méthode d’imagerie des microbulles de cavitation à l’aide d’une caméra à grande vitesse et le calcul de la zone moyenne de cavitation se produisant. Cette méthode est démontrée à l’aide d’un exemple de cavitation se produisant autour de différents conseils d’échelle ultrasonique dentaire, bien que les étapes expérimentales et d’analyse d’image peuvent être utilisées pour d’autres applications, telles que pour l’imagerie d’autres macro et microbulles.

Protocol

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

1. Configuration de l’instrument

  1. Sélectionnez l’instrument ou l’objet à imager. Dans cette expérience, un échellateur ultrasonique a été photographié. Les bulles de cavitation se produisent autour des extrémités des échellateurs ultrasoniques dans l’eau.
  2. Sélectionnez une étape de micro positionnement pour que l’instrument soit photographié avec la traduction et la rotation XYZ. Placer sur une prise de laboratoire. Attachez la poignée de l’instrument à l’étape du micro positionnement
  3. Sélectionnez un récipient d’eau optiquement transparent pour l’imagerie. Le récipient utilisé dans ces expériences a été créé avec des lames de microscope en verre.
  4. Sélectionnez une étape XY avec une plate-forme de rotation. Placer sur une prise de laboratoire. Placez le récipient d’eau sur la scène et remplissez-le d’eau filtrée (osmose inverse ou distillée).

2. Configuration de la caméra haute vitesse

  1. Choisissez une caméra haute vitesse avec la fréquence d’images et la résolution souhaitées et une source lumineuse de haute intensité avec un guide de lumière en fibre.
  2. Attachez une plaque coulissante micropositionnante au corps de la caméra haute vitesse et connectez-la à un support de trépied.
  3. Sélectionnez une lentille avec la résolution souhaitée et la longueur focale et attachez-la à la caméra. Pour cette expérience, un objectif de zoom a été utilisé à une résolution de 8,4 μm/pixel.
  4. Remplissez le réservoir d’imagerie d’eau et placez la pointe de l’instrument à imager dans le réservoir d’eau dans l’orientation souhaitée.
  5. Après avoir connecté la caméra et chargé la vue en direct dans le logiciel, utilisez un grossissement faible pour se concentrer sur la pointe de l’échellateur ultrasonique, le repositionnement de la source de lumière si nécessaire. Placez l’instrument et la source lumineuse devant la caméra et concentrez-vous. Ajuster à la fréquence d’image et à la luminosité souhaitées.
    REMARQUE : Une intensité lumineuse plus élevée est requise pour l’imagerie à des vitesses d’images élevées, des vitesses d’obturation courtes et/ou des grossissements élevés. L’éclairage peut être fourni en mode de réflexion ou de transmission. Dans ce protocole, l’éclairage est fourni en mode transmission (champ lumineux) à l’aide d’un dispositif d’éclairage à froid de haute intensité.
  6. Définissez une fréquence d’image et une vitesse d’obturation optimales pour la caméra haute vitesse. Dans cette expérience, la fréquence d’images était de 6400 fps avec une vitesse d’obturation de 262 nanosecondes. Une vitesse d’obturation courte est nécessaire pour les bulles en mouvement rapide comme les bulles de cavitation pour s’assurer qu’elles sont au point.
  7. Ajuster le grossissement de la lentille de zoom et l’intensité de la source de lumière de sorte que l’arrière-plan est blanc sans être surexposé.

3. Étalonnage

  1. Enregistrez la position de la pointe (rotation en stade x-y, angle de rotation de l’instrument pour la reproductibilité).
  2. Pour vous assurer que le champ de vision est cohérent pour chaque répétition, choisissez un point de référence et notez les coordonnées. Dans ce cas, le point de référence était la pointe de l’échellateur ultrasonique. Il peut ensuite être repositionné dans de futures expériences au même endroit dans le champ de vision.
  3. Si la taille du pixel est inconnue, imagez une graticule avec des marques de 10 μm au grossissement de l’ensemble et utilisez un logiciel d’analyse d’image tel que Fidji pour calculer la résolution.

4. Enregistrement vidéo haute vitesse

  1. Image de l’instrument sans cavitation. Ceci sera soustrait des images de cavitation dans l’analyse d’image lors du calcul de la zone des bulles de cavitation. Enregistrez les vidéos dans un format tel que TIFF afin qu’aucune qualité d’image ne soit perdue.
  2. Image de l’instrument fonctionnant avec cavitation. Assurez-vous qu’il y a suffisamment d’images pour une analyse précise, par exemple 5 répétitions avec 500 images chacune.

5. Traitement d’image

  1. Téléchargez Fidji19 à partir du site Web d’ImageJ (https://imagej.net/Fiji). Un code macro ImageJ a été fourni qui effectue automatiquement les étapes d’analyse d’image décrites ci-dessous et peut également être modifié en fonction de l’application. Les étapes individuelles de la macro sont décrites aux étapes 5.3-5.5.
  2. Rogner l’image pour enlever les zones plus foncées résultant d’un éclairage inégal, si nécessaire. Assurez-vous que toutes les images sont recadrées à la même taille et au point identique de l’image.
  3. Convertissez les images en binaire en mettant automatiquement en question l’un des seuils automatiques. Dans cet exemple, le seuil automatique minimum est utilisé.
  4. Exécutez la commande trous de remplissage pour supprimer les pixels noirs de l’intérieur des bulles qui ont été faussement segmentés.
  5. Calculez l’histogramme de la pile pour afficher le nombre de pixels correspondant à l’écalateur et la cavitation dans chaque image.
  6. Dans ce cas, les pixels correspondant aux bulles sont blancs et ont une valeur de 255. Enregistrez ces mesures.
  7. Répétez les étapes 5.3-5.6 pour la vidéo de l’instrument fonctionnant sans les bulles.
  8. Calculer la zone moyenne de la pointe de l’échellateur ultrasonique uniquement à partir des résultats de l’histogramme.
  9. Soustrayez la zone moyenne de l’instrument de chacune des zones calculées à partir des vidéos des bulles autour de l’échelleur. La zone des bulles est laissée à mesure.
  10. Visualisez en soustrayant l’image binaire de l’scaler de l’image binaire de l’écaleur avec des bulles à l’aide de la calculatrice d’image aux Fidji.
  11. Calculer l’écart moyen et standard de la zone des bulles.
  12. Convertissez les valeurs du nombre de pixels en zone (dans ce cas μm2) en multipliant par la taille du pixel carrée. Calculez la taille de chaque pixel en imaginant une graticule avec la caméra haute vitesse au même grossissement que celle utilisée pour l’imagerie et utilisez ImageJ pour définir l’échelle.
  13. Tracez les données. Il est également possible de procéder à une analyse statistique pour montrer toute différence significative dans le domaine des bulles si l’on compare différentes conditions.

6. Macro ImageJ

  1. Dans le menu ImageJ/Fidji, accédez à Plugins > Nouveau > Macro. Assurez-vous que la macro IJ1 est cochée sous le menu langue et copier et coller le code suivant. Cliquez sur Exécuter pour exécuter la macro (Fichier supplémentaire).

Results

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

Les étapes d’analyse d’image peuvent être vues dans la figure 1 pour l’un des conseils d’échelle ultrasoniques testés. Une pointe FSI 1000 et une pointe de 10P ont été photographiés à l’intérieur d’un réservoir d’eau avec l’eau de refroidissement éteinte (figure 2). La cavitation s’est produite près du virage de la pointe FSI 1000 à puissance maximale, et près de l’extrémité libre dans la pointe 10P (figure 3 et figure 4). La superficie moyenne de la cavitation était de 0,1 ± 0,07 mm2 pour la pointe FSI 1000 et de 0,50 ± 0,25 mm2 pour la pointe 10P (figure 5).

figure-results-1
Figure 1 : Configuration d’imagerie à haute vitesse et étapes d’analyse d’imagea ) Schématique de la configuration d’imagerie à haute vitesse utilisée dans l’étude. b) Schéma des étapes d’analyse d’image utilisées dans l’étude, montrant les images brutes sur la gauche de la pointe de l’échelle seulement et avec la cavitation, qui ont ensuite été binarisées et soustraites les unes des autres pour calculer la zone des nuages de cavitation. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

figure-results-2
Figure 2 : Comparaison entre les différents conseils Des images à grande vitesse montrant la cavitation se produisant autour des deux pointes d’échelle ultrasoniques testées (a) FSI 1000 (b) 10P. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

figure-results-3
Figure 3 : Astuce 10P images à grande vitesse : images à grande vitesse de la pointe 10P, à partir d’une vidéo prise à 6400 images par seconde. La cavitation peut être vue autour de l’extrémité libre de la pointe. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

figure-results-4
Figure 4 : Conseil FSI1000 images à grande vitesse : Images à grande vitesse de la pointe FSI 1000, à partir d’une vidéo prise à 6400 images par seconde. La cavitation peut être vue autour du milieu de la pointe. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

figure-results-5
Figure 5 : Résultats de l’analyse de l’image de la zone de cavitation. La zone moyenne de cavitation se produisant autour des conseils d’échelle ultrasonique FSI 1000 et 10P calculé à l’aide de la technique d’analyse d’image décrite. Les barres d’erreur représentent l’écart type. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Fichier supplémentaire. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

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

La technique décrite dans cet article permet l’imagerie de microbulles en mouvement rapide avec une haute résolution spatiale et temporelle. Il peut potentiellement bénéficier à un large éventail de disciplines scientifiques telles que le génie chimique, la dentisterie et la médecine. Les applications techniques comprennent des bulles de cavitation d’imagerie pour le nettoyage des surfaces, ou pour les bulles d’imagerie dans les réacteurs de lit fluidisés. Les applications biomédicales comprennent la cavitation par imagerie autour d’instruments médicaux et dentaires et le débridement des biofilms d’imagerie à partir de tissus durs et mous à l’aide de bulles de cavitation. Dans cette étude, nous avons démontré la technique par l’imagerie cavitation autour de deux extrémités différentes d’échelle ultrasonique dentaire. La quantité de cavitation varie entre les deux pointes testées dans cette étude, avec plus de nuages de cavitation observés autour de l’extrémité libre de la pointe 10P. Ceci a déjà été lié à l’amplitude des vibrations20. Les vidéos à grande vitesse montrent que la pointe FSI 1000 a moins de vibrations, ce qui est susceptible d’être pourquoi il ya moins de cavitation autour de cette pointe.

Une limitation de la méthode d’analyse d’image est que la technique de soustraction d’image pour enlever la zone de l’écalateur n’est pas complètement exacte parce que l’écalateur oscille et donc la soustraction peut laisser certaines zones de l’écalateur faussement segmenté comme bulles. Toutefois, cela a été expliqué en faisant la moyenne de la zone à partir d’un grand nombre de cadres (n=2000). Ce ne serait pas un problème pour les applications où l’objet à soustraire est stationnaire. Pour les études où l’objet mobile à soustraire a une variance beaucoup plus élevée, nous recommandons de synchroniser les mouvements dans les deux vidéos avant de soustraire pour des résultats précis. Dans la présente étude, nous n’avons pas synchronisé les oscillations, mais comme la vibration était faible, nous pouvons supposer que les oscillations correspondent bien l’une à l’autre dans ces deux mesures.

Le seuil d’image est précis parce que l’éclairage brightfield fournit un fond uniforme avec un bon contraste. Il est essentiel de s’assurer que l’arrière-plan est uniforme et ne contient pas d’autres objets qui pourraient être faussement segmentés. La méthode de seuil peut être modifiée à l’aide d’autres seuils automatiques adaptés à l’application. Le seuil manuel, lorsque l’utilisateur définit la valeur seuil, est également possible mais n’est pas recommandé car il réduit la reproductibilité des résultats, puisque différents utilisateurs sélectionneront différentes valeurs de seuil.

L’analyse d’image a été utilisée pour de nombreuses autres études d’imagerie à bulles. Ceux-ci utilisent également une méthode similaire de rétroéclairage pour obtenir un contraste optimal entre les bulles et l’arrière-plan, et le seuil pour segmenter les bulles21,22,23,24. La méthode présentée dans la présente étude peut également être généralisée pour être utilisée pour de nombreuses applications d’imagerie à bulles différentes, qui ne se limitent pas à l’imagerie à haute vitesse. L’imagerie à grande vitesse a été utilisée pour les bulles de cavitation générées dans l’eau et aussi autour d’instruments tels que les fichiers endodontiques et les scalers ultrasoniques12,25,26,27,28. Par exemple, Rivas et coll. et Macedo et coll. ont utilisé une caméra haute vitesse fixée à un microscope, avec un éclairage fourni par une source de lumière froide au nettoyage de l’image avec cavitation, et à la ccavitation d’image autour d’un fichier endodontique17,29. L’éclairage lumineux des champs offre plus de contraste entre l’arrière-plan et les bulles, ce qui permet d’utiliser des techniques de segmentation simples telles que le seuil, comme l’ont démontré Rivas et coll. pour l’imagerie et la quantification de l’érosion de la cavitation et du nettoyage au fil du temps29. L’éclairage des champs foncés rend le seuil plus difficile en raison de la variation plus élevée des écailles grises4,30. L’analyse d’image a été utilisée dans d’autres études pour recueillir plus d’informations sur les bulles1,2. Vyas et coll. ont utilisé une approche d’apprentissage automatique pour segmenter les bulles de cavitation autour d’un scalerultrasonique 20. La méthode décrite dans l’article actuel est plus rapide parce qu’elle utilise un seuil simple de sorte qu’il est moins intensif sur le plan informatique, et les bulles se produisant au-dessus et au-dessous de l’échellateur peuvent être analysées. Toutefois, la méthode de seuil utilisée dans le document actuel n’est exacte que si l’arrière-plan est uniforme. S’il n’est pas possible d’obtenir un arrière-plan uniforme pendant l’imagerie, d’autres techniques de traitement d’image peuvent être utilisées comme l’utilisation de la soustraction de fond à l’aide d’un rayon de billes roulant pour corriger l’éclairage inégal, le filtrage à l’aide de filtres médians ou gaussiens pour éliminer le bruit, ou aussi l’utilisation de techniques basées sur l’apprentissage automatique20,31.

En conclusion, nous présentons un protocole d’imagerie et d’analyse à grande vitesse pour l’image et calculer la zone d’un objet mobile microscopique. Nous avons démontré cette méthode en imaginant des bulles de cavitation autour d’un échellateur ultrasonique. Il peut être utilisé pour l’imagerie cavitation autour d’autres instruments dentaires tels que les fichiers endodontiques et il peut être facilement adapté pour d’autres applications d’imagerie bulle non dentaire.

Disclosures

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

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgements

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

Les auteurs sont reconnaissants pour le financement du Conseil de recherches en génie et en sciences physiques EP/P015743/1.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Embout 0,25xNavitar1-50011
12x avec mise au point fine de 12 mm
Objectif zoom microscope longue distance		Navitar1-50486
Adaptateur 2x avec monture fNavitar1-62922
Détartreur à ultrasons Cavitron PlusDentsply Sirona8184003
Cavitron Insert à ultrasons FSI 1000FSI 1000Dentsply SironaUCAFTHD Guide de
fibres de 8 mm de longueur 1500 mm. Ensemble d’objectif de mise au point pour lampe Hayashi, filetage trépied 1/4"-20
pour le montage.		HayashiLGC1-
8L1500
Tête dentéeManfrottoMN405Capacité de charge de 7,5 kg
HDF7010 source lumineuse
d’endoscope LED haute puissance. La LED 150W fournit une puissance froide équivalente à 250W
Xénon.		HayashiLA-HDF710
Trépied lourdManfrottoMN475BColonne centrale à engrenages, capacité de charge de 12 kg
Caméra haute vitessePhotron103526FASTCAM Mini AX200 900K M3 (16 Go de mémoire)
Rotation de haute précision  ; PlatineThorlabsPR01/M
Crics de laboratoireCamlab1194083
Plaque coulissante de micropositionnementManfrottoSKU 454
Platine de micropositionnement 3DThorlabsPT3/M
Rotation de la platine de micropositionnementThorlabsOCT-XYR1/MOCT-XYR1/M - Platine XY avec plaque supérieure solide
NEWTRON P5 XS Détartreur à ultrasons  ;ActeonF62118
Insert à ultrasons 10PActeonF00253
lumière en fibre. Faisceau de

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