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
5 septembre 2020
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.
L’imagerie à grande vitesse peut être utilisée pour l’image de processus rapides, tels que la dynamique des bulles de cavitation. Nous démontrons une méthode de bulles de cavitation de formation image autour d’une pointe ultrasonique dentaire d’échelle. La cavitation autour des balanceurs ultrasoniques est étudiée pour nettoyer la plaque dentaire, mais la méthode montrée ici pourrait être employée pour beaucoup d’applications différentes.
Nous avons également développé un protocole d’analyse d’image à l’aide d’un logiciel open source qui permet à l’utilisateur de calculer la zone des bulles de cavitation pour permettre des comparaisons entre les différentes expériences. Pour créer la configuration expérimentale, vous aurez besoin d’une caméra à grande vitesse, d’une source de lumière froide de haute intensité, de deux prises de laboratoire, d’un stade de micropositionnement avec rotation, d’un stade de micropositionnement 3D, d’une lentille de zoom au microscope et d’une balance ultrasonique pour générer des microbobouillis de cavitation, ou de l’objet que vous souhaitez imager. Pour commencer la procédure, fixez une étape de micropositionnement avec traduction et rotation XYZ à une prise de laboratoire.
Fixez la pièce maîtresse de l’échelle ultrasonique au stade du micropositionnement. Utilisez une caméra à grande vitesse avec la vitesse d’image et la résolution souhaitées. Fixez une plaque coulissante de micropositionnement au corps de la caméra à grande vitesse et connectez-la à un trépied.
Utilisez une lentille avec la résolution désirée et l’objectif focal et attachez-la au corps de la caméra à grande vitesse. Fixez une étape de microposition XY avec rotation à une autre prise de laboratoire et placez un réservoir d’imagerie optiquement transparent au-dessus de cela. Vous aurez également besoin d’une source de lumière froide de haute intensité avec un guide de lumière de fibre.
Remplissez le réservoir d’imagerie d’eau et immerger la pointe de l’instrument à l’intérieur du réservoir. Connectez la caméra et chargez la vue en direct dans le logiciel d’imagerie. Utilisez un faible grossissement pour vous concentrer sur la pointe de l’échelle ultrasonique, repositionnant la source de lumière si nécessaire.
Dans cette étude, l’éclairage a été fourni en mode champ lumineux. Sélectionnez la vitesse d’image optimale et la vitesse d’obturation de la caméra à grande vitesse. Dans ce cas, une courte vitesse d’obturation de 262 nanosecondes a été choisie pour s’assurer que les bulles de cavitation en mouvement rapide étaient au point.
Ajustez le grossissement de l’objectif de zoom et l’intensité de la source lumineuse, de sorte que l’arrière-plan est blanc sans être surexposé. Enregistrez l’angle de rotation de la pointe pour la reproductibilité. 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’échelle ultrasonique. Si l’analyse d’image est effectuée, prenez une image de l’instrument sans aucune cavitation. Ceci sera utilisé pour soustraire la zone de l’instrument pour calculer la zone des bulles.
Ensuite, imagez la cavitation autour de l’instrument. Ce sont des vidéos à grande vitesse de cavitation se produisant autour de différents bouts ultrasoniques d’échelle. Dans cette étude, l’analyse d’image a été utilisée pour calculer la zone moyenne de cavitation qui se produit, et ces graphiques montrent la comparaison entre les différents conseils.
Cette technique est utile pour l’imagerie des modèles de bulles et de leurs emplacements exacts, ce qui est utile pour comprendre comment les bulles de cavitation pourraient être utilisées pour différentes applications, telles que le nettoyage. Ces expériences d’imagerie à grande vitesse peuvent également être validées par de nouvelles simulations médicales. Nous avons utilisé des articles basés sur la modélisation d’éléments finis pour simuler l’interaction tridimensionnelle, non lignenelle et transitoire entre la vibration et la formation de la pointe de l’échelle.
Nous avons également simulé le débit d’eau autour de la balance, et la formation de cavitation et leur dynamique. Ce protocole montre la façon relativement simple de créer une configuration d’imagerie à grande vitesse, que lorsqu’il est maîtrisé correctement, peut être utile pour l’imagerie des bulles de cavitation autour des balanceurs ultrasoniques dentaires, et aussi pour l’imagerie d’autres types d’instruments qui produisent des microbobbles de cavitation. Après avoir regardé cette vidéo, vous devez avoir une bonne compréhension de la façon de créer une imagerie à grande vitesse mis en place pour l’image des microbobouillis en mouvement rapide.
Le principal avantage de cette méthode est facile à configurer, et l’analyse rapide de l’image peut facilement être appliquée à des centaines d’images. Cette technique aidera les chercheurs à utiliser l’imagerie à grande vitesse pour l’image de microbobbles en mouvement rapide, et il peut être facilement adapté pour diverses applications d’imagerie par bulles.
Aperçu
Cet article présente une méthode d'imagerie des microbulles de cavitation à l'aide de la photographie à haute vitesse. Les techniques de configuration et d'analyse d'images sont discutées, permettant le calcul des zones de cavitation.
Composants clés de l'étude
Domaine de la science
- Neuroscience
- Biophysique
- Génie biomédical
Contexte
- Les bulles de cavitation sont importantes dans diverses applications, y compris le nettoyage dentaire.
- L'imagerie à haute vitesse capture des processus rapides comme la dynamique des bulles.
- L'analyse d'images peut quantifier les zones de cavitation pour des études comparatives.
- L'étude vise à améliorer la compréhension de la cavitation pour des applications pratiques.
Objectif de l'étude
- Démontrer une technique d'imagerie à haute vitesse pour les bulles de cavitation.
- Développer un protocole d'analyse d'images pour quantifier les zones de cavitation.
- Faciliter les comparaisons entre différentes pointes d'ultrasons.
Méthodes utilisées
- La configuration comprend une caméra à haute vitesse, une source lumineuse et un scaler à ultrasons.
- Le logiciel ImageJ est utilisé pour l'analyse d'images et le calcul des surfaces.
- Des vidéos à haute vitesse sont enregistrées pour capturer la dynamique de la cavitation.
- Les conditions expérimentales sont standardisées pour la reproductibilité.
Résultats principaux
- La superficie moyenne des bulles de cavitation a été calculée et comparée entre différentes pointes.
- L'imagerie à haute vitesse a efficacement capturé les modèles et la dynamique des bulles.
- La méthode est adaptable à diverses applications au-delà du nettoyage dentaire.
- Les résultats peuvent être validés avec des simulations de modélisation par éléments finis.
Conclusions
- L'étude fournit une méthode simple pour l'imagerie à haute vitesse de la cavitation.
- L'analyse rapide d'images peut être appliquée à de nombreuses images pour des études complètes.
- Cette technique améliore les capacités de recherche en matière d'imagerie des microbulles en mouvement rapide.
Questions fréquemment posées
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.
