Method Article

Imaging e quantificazione dell'area delle microbolle in rapido movimento utilizzando una fotocamera ad alta velocità e l'analisi delle immagini

DOI:

10.3791/61509

⸱

September 5th, 2020

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

In This Article

Summary

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

Le microbolle di cavitazione sono immagini utilizzando una telecamera ad alta velocità collegata a un obiettivo zoom. Viene spiegato il setup sperimentale e l'analisi delle immagini viene utilizzata per calcolare l'area della cavitazione. L'analisi dell'immagine viene eseguita utilizzando ImageJ.

Abstract

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

Viene presentata una tecnica sperimentale e di analisi delle immagini per l'imaging delle bolle di cavitazione e il calcolo della loro area. La tecnica sperimentale di imaging ad alta velocità e il protocollo di analisi delle immagini qui presentati possono essere applicati anche per l'imaging di bolle microscopiche in altri campi della ricerca; pertanto, ha una vasta gamma di applicazioni. Applichiamo questo alla cavitazione dell'immagine intorno alle scaler ultrasoniche dentali. È importante utilizzare la cavitazione dell'immagine per caratterizzarla e capire come può essere sfruttata per varie applicazioni. La cavitazione che si verifica intorno alle scaletta ultrasoniche dentali può essere utilizzata come un nuovo metodo di rimozione della placca dentale, che sarebbe più efficace e causerebbe meno danni rispetto alle attuali tecniche di terapia parodonte. Vi presentiamo un metodo per l'imaging delle nuvole di bolle di cavitazione che si verificano intorno alle punte della scala ultrasonica dentale utilizzando una fotocamera ad alta velocità e un obiettivo zoom. Calcoliamo anche l'area della cavitazione utilizzando l'analisi delle immagini di apprendimento automatico. Il software open source viene utilizzato per l'analisi delle immagini. L'analisi delle immagini presentata è facile da replicare, non richiede esperienza di programmazione e può essere modificata facilmente per soddisfare l'applicazione dell'utente.

Introduction

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

L'imaging del movimento delle bolle è importante per varie applicazioni perché controlla l'idrodinamica di un sistema. Ci sono molte applicazioni in cui questo può essere utile: nei reattori a lettofluido 1,2, o per la pulizia con bolle di cavitazione3,4. Lo scopo dell'imaging delle bolle è quello di capire di più sulla dinamica delle bolle o sulla direzione e il movimento di una nuvola di bolle. Questo può essere fatto attraverso l'osservazione di strutture immagine e anche utilizzando l'analisi delle immagini per ottenere informazioni quantitative, come la dimensione delle bolle.

Le bolle di cavitazione sono entità gas o vapore che si verificano in un fluido quando la pressione scende al di sotto del valore di pressionesaturo 5. Possono verificarsi quando un campo acustico viene applicato a un fluido a frequenze ultrasoniche. Crescono ripetutamente e collassano, e al momento del collasso possono rilasciare energia sotto forma di micro-getti ad alta velocità e onded'urto 6,7. Questi possono spostare le particelle su una superficie attraverso le forze di taglio e causare la pulizia della superficie8. Le bolle di cavitazione sono oggetto di indagine per la pulizia della superficie in diversi settori, ad esempio per semiconduttori, alimenti e pulizia delleferite 9,10,11,12. Potrebbero anche essere utilizzati per pulire la placca dentale da denti e biomateriali come impiantidentali 12,13. La cavitazione si verifica intorno a strumenti dentali attualmente utilizzati come scaler ad ultrasuoni e file endodontici e mostra il potenziale come un ulteriore processo di pulizia con questistrumenti 14.

L'oscillazione delle bolle di cavitazione avviene in pochi microsecondi e quindi è necessaria una telecamera ad alta velocità per catturare il loro movimento mediante l'imaging a migliaia di fotogrammi al secondo8. Dimostriamo un metodo di imaging della cavitazione a microbolle intorno alle scalette ultrasoniche dentali. L'obiettivo è capire come la cavitazione varia intorno a diversi squame ad ultrasuoni, in modo che possa essere ottimizzata come un nuovo modo per pulire la placca dentale.

I metodi precedenti utilizzati per studiare la cavitazione includono l'audiomiluminescenza, che utilizza il luminolo per rilevare dove si è verificata lacavitazione 15,16. Tuttavia, questa è una tecnica indiretta e non è in grado di visualizzare le bolle di cavitazione in tempo reale. Pertanto, non è in grado di determinare con precisione esattamente dove accade sullo strumento, e nessuna informazione può essere acquisita sulla dinamica della bolla, a meno che non sia combinato con altre tecniche di imaging17. L'imaging ad alta velocità può immaginare non solo le bolle di cavitazione che crescono e collassano, ma anche il tipo di cavitazione che si verifica: nuvole di cavitazione, microstreamer e micro-getti6,7,18. Questi forniscono ulteriori informazioni su come la cavitazione può pulire le superfici.

Vi presentiamo un metodo di imaging microbolle di cavitazione utilizzando una telecamera ad alta velocità e calcolando l'area media della cavitazione che si verifica. Questo metodo è dimostrato utilizzando un esempio di cavitazione che si verifica intorno a diversi suggerimenti di scaler ultrasonico dentale, anche se le fasi sperimentali e di analisi delle immagini possono essere utilizzate per altre applicazioni, ad esempio per l'imaging di altre macro e microbolle.

Protocol

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

1. Configurazione dello strumento

  1. Selezionare lo strumento o l'oggetto da visualizzare. In questo esperimento è stata immagine una scala ultrasonica. Bolle di cavitazione si verificano intorno alle punte di squame ad ultrasuoni in acqua.
  2. Selezionare una fase di micro posizionamento per lo strumento da immagini con traslazione e rotazione XY. Posizionare su un jack da laboratorio. Fissare la maniglia dello strumento alla fase di micro posizionamento
  3. Selezionare un contenitore d'acqua otticamente trasparente per l'imaging. Il contenitore utilizzato in questi esperimenti è stato creato con vetrini al microscopio in vetro.
  4. Selezionare uno stage XY con una piattaforma di rotazione. Posizionare su un jack da laboratorio. Posizionare il contenitore dell'acqua sul palco e riempire con acqua filtrata (osmosi inversa o distillata).

2. Configurazione della telecamera ad alta velocità

  1. Selezionare una telecamera ad alta velocità con la frequenza fotogrammi e la risoluzione desiderate e una sorgente luminosa ad alta intensità con una guida alla luce in fibra.
  2. Collegare una piastra scorrevole in microposizione al corpo della telecamera ad alta velocità e collegarla a un supporto per treppiede.
  3. Selezionare un obiettivo con la risoluzione e la lunghezza focale desiderate e collegarlo alla fotocamera. Per questo esperimento è stato utilizzato un obiettivo zoom con una risoluzione di 8,4 m/pixel.
  4. Riempire il serbatoio di imaging con acqua e posizionare la punta dello strumento da immagine nel serbatoio dell'acqua nell'orientamento desiderato.
  5. Dopo aver collegato la fotocamera e caricato la vista dal vivo nel software, utilizzare un basso ingrandimento per mettere a fuoco la punta della bilancia ad ultrasuoni, riposizionando la sorgente luminosa se necessario. Posizionare lo strumento e la sorgente luminosa davanti alla fotocamera e mettere a fuoco. Regolare la frequenza fotogrammi e la luminosità desiderate.
    NOTA: per l'imaging a fotogrammi elevati, a velocità dell'otturatore corte e/o ad alti ingrandimenti è necessaria un'intensità luminosa più elevata. L'illuminazione può essere fornita in modalità di riflessione o di trasmissione. In questo protocollo l'illuminazione è fornita in modalità di trasmissione (campo luminoso) utilizzando un dispositivo di illuminazione a freddo ad alta intensità.
  6. Impostare una frequenza fotogrammi ottimale e la velocità dell'otturatore per la fotocamera ad alta velocità. In questo esperimento il frame rate era di 6400 fps con una velocità dell'otturatore di 262 nanosecondi. Una breve velocità dell'otturatore è necessaria per bolle in rapido movimento come bolle di cavitazione per garantire che siano a fuoco.
  7. Regolare l'ingrandimento dell'obiettivo zoom e l'intensità della sorgente luminosa in modo che lo sfondo sia bianco senza essere sovraesposto.

3. Calibrazione

  1. Registrare la posizione della punta (rotazione in fase x-y, angolo di rotazione dello strumento per la riproducibilità).
  2. Per garantire che il campo di vista sia coerente per ogni ripetizione, scegliere un punto di riferimento e annotare le coordinate. In questo caso il punto di riferimento era la punta del scaler ad ultrasuoni. Può quindi essere riposizionato in esperimenti futuri nello stesso luogo all'interno del campo di vista.
  3. Se la dimensione in pixel è sconosciuta, creare un graticule con segni di 10 m in corrispondenza dell'ingrandimento impostato e utilizzare un software di analisi delle immagini come Fiji per calcolare la risoluzione.

4. Registrazione video ad alta velocità

  1. Immagine dello strumento senza cavitazione. Questo verrà sottratto dalle immagini di cavitazione nell'analisi delle immagini durante il calcolo dell'area delle bolle di cavitazione. Salvare i video in un formato come TIFF in modo che non si perdi la qualità dell'immagine.
  2. Immagine dello strumento che opera con cavitazione. Assicurarsi che vi siano fotogrammi sufficienti per un'analisi accurata, ad esempio 5 ripetizioni con 500 fotogrammi ciascuno.

5. Elaborazione delle immagini

  1. Scarica Fiji19 dal sito Web ImageJ (https://imagej.net/Fiji). È stato fornito un codice macro ImageJ che esegue automaticamente i passaggi di analisi delle immagini descritti di seguito e può anche essere modificato in base all'applicazione. I singoli passaggi della macro sono descritti nei passaggi 5.3-5.5.
  2. Ritagliare l'immagine per rimuovere eventuali aree più scure risultanti da illuminazione irregolare, se necessario. Assicurarsi che tutte le immagini siano ritagliate alla stessa dimensione e nello stesso punto dell'immagine.
  3. Convertire le immagini in binario impostando automaticamente una delle soglie automatica. In questo esempio viene utilizzata la soglia minima automatica.
  4. Eseguire il comando Fori di riempimento per rimuovere eventuali pixel neri dall'interno delle bolle che sono state falsamente segmentate.
  5. Calcolare l'istogramma della pila per mostrare il numero di pixel corrispondenti al scaler e la cavitazione in ogni fotogramma.
  6. In questo caso i pixel corrispondenti alle bolle sono bianchi e hanno valore 255. Salvare queste misurazioni.
  7. Ripetere i passaggi 5.3-5.6 per il video dello strumento che funziona senza le bolle.
  8. Calcolare l'area media della punta della scala ultrasonica solo dai risultati dell'istogramma.
  9. Sottrarre l'area media dello strumento da ciascuna delle aree calcolate dai video delle bolle intorno al scaler. L'area delle bolle è lasciata in misura.
  10. Visualizza sottraendo l'immagine binaria del scaler dall'immagine binaria del scaler con bolle utilizzando la calcolatrice di immagini in Fiji.
  11. Calcolare la media e la deviazione standard dell'area delle bolle.
  12. Convertire i valori dal numero di pixel all'area (in questo caso m2) moltiplicando per le dimensioni in pixel al quadrato. Calcolate le dimensioni di ogni pixel creando immagini di un graticule con la fotocamera ad alta velocità con lo stesso ingrandimento utilizzato per l'imaging e utilizzate ImageJ per impostare la scala.
  13. Tracciare i dati. È anche possibile condurre analisi statistiche per mostrare qualsiasi differenza significativa nell'area delle bolle se si confrontano condizioni diverse.

6. Macro ImageJ

  1. Nel menu ImageJ/Fiji, accedere a Plugin > Nuovo > Macro. Assicurarsi che la macro IJ1 sia selezionata nel menu della lingua e copiare e incollare il codice seguente. Fare clic su Esegui per eseguire la macro (File supplementare).

Results

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

I passaggi di analisi delle immagini possono essere visti in Figura 1 per uno dei suggerimenti scaler ad ultrasuoni testati. Una punta FSI 1000 e una punta 10P sono state approtate all'interno di un serbatoio d'acqua con l'acqua di raffreddamento spenta (Figura 2). La cavitazione si è verificata vicino alla curva della punta FSI 1000 alla massima potenza, e vicino all'estremità libera nella punta 10P (Figura 3 e Figura 4). L'area media della cavitazione era di 0,1 x 0,07 mm2 per la punta FSI 1000 e di 0,50 x 0,25 mm2 per la punta 10P (Figura 5).

figure-results-1
Figura 1: configurazione dell'imaging ad alta velocità e passaggi di analisi delle immagini (a) Schematic della configurazione dell'imaging ad alta velocità utilizzata nello studio. (b) Schematico dei passaggi di analisi delle immagini utilizzati nello studio, che mostra le immagini grezze solo a sinistra della punta del scaler e con cavitazione, che sono state poi binarizzate e sottratte l'una dall'altra per calcolare l'area delle nuvole di cavitazione. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figure-results-2
Figura 2: confronto tra diversi suggerimenti Immagini ad alta velocità che mostrano la cavitazione che si verificano intorno alle due punte di scaler ad ultrasuoni testate (a) FSI 1000 (b) 10P. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figure-results-3
Figura 3: Suggerimento 10P immagini ad alta velocità: immagini ad alta velocità di punta 10P, da un video scattato a 6400 fotogrammi al secondo. La cavitazione può essere vista intorno all'estremità libera della punta. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figure-results-4
Figura 4: Suggerimento FSI1000 immagini ad alta velocità: immagini ad alta velocità di punta FSI 1000, da un video scattato a 6400 fotogrammi al secondo. La cavitazione può essere vista intorno al centro della punta. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figure-results-5
Figura 5: Risultati dell'analisi dell'immagine dell'area di cavitazione. L'area media della cavitazione che si verifica intorno alle punte del scaler ad ultrasuoni FSI 1000 e 10P calcolate utilizzando la tecnica di analisi delle immagini descritta. Le barre di errore rappresentano la deviazione standard. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

File supplementare. Si prega di fare clic qui per scaricare questo file.

Discussion

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

La tecnica descritta in questo documento consente l'imaging di microbolle in rapido movimento con alta risoluzione spaziale e temporale. Può potenzialmente beneficiare di una vasta gamma di discipline scientifiche come l'ingegneria chimica, l'odontoiatria e la medicina. Le applicazioni ingegneristiche includono l'imaging di bolle di cavitazione per la pulizia delle superfici o per l'imaging di bolle in reattori a letto fluidizzati. Le applicazioni biomediche includono l'imaging della cavitazione intorno a strumenti medici e dentali e la debridement di biofilm di imaging da tessuti duri e molli utilizzando bolle di cavitazione. In questo studio abbiamo dimostrato la tecnica attraverso l'imaging della cavitazione intorno a due diverse punte di scaler ultrasonico dentale. La quantità di cavitazione varia tra le due punte testate in questo studio, con più nuvole di cavitazione osservate intorno all'estremità libera della punta 10P. Questo è stato precedentemente collegato all'ampiezza delle vibrazioni20. I video ad alta velocità mostrano che la punta FSI 1000 ha meno vibrazioni, che è probabile che sia il motivo per cui c'è meno cavitazione intorno a questa punta.

Una limitazione del metodo di analisi delle immagini è che la tecnica di sottrazione dell'immagine per rimuovere l'area del scaler non è completamente accurata perché il scaler sta oscillando e quindi la sottrazione può lasciare alcune aree del scaler falsamente segmentate come bolle. Tuttavia, questo è stato preso in considerazione dalla media dell'area da un gran numero di fotogrammi (n.2000). Questo non sarebbe un problema per le applicazioni in cui l'oggetto da sottrarre è stazionario. Per gli studi in cui l'oggetto in movimento da sottrarre ha una varianza molto più alta, ti consigliamo di sincronizzare i movimenti in entrambi i video prima di sottrarre per ottenere risultati accurati. Nello studio attuale, non abbiamo sincronizzato le oscillazioni, ma poiché la vibrazione era bassa, possiamo supporre che le oscillazioni corrispondano bene l'una all'altra in queste due misurazioni.

La soglia dell'immagine è accurata perché l'illuminazione del campo luminoso fornisce uno sfondo uniforme con un buon contrasto. È fondamentale garantire che lo sfondo sia uniforme e non contenga altri oggetti che potrebbero essere falsamente segmentati. Il metodo di soglie può essere modificato utilizzando altre soglie automatiche in base all'applicazione. La soglia manuale, in cui l'utente imposta il valore di soglia, è anche possibile ma non è consigliata in quanto riduce la riproducibilità dei risultati, poiché utenti diversi selezioneranno valori di soglia diversi.

L'analisi delle immagini è stata utilizzata per molti altri studi sull'imaging delle bolle. Questi utilizzano anche un metodo simile di retroilluminazione per ottenere un contrasto ottimale tra le bolle e lo sfondo e soglia per segmentare le bolle21,22,23,24. Il metodo mostrato nello studio attuale può anche essere generalizzato per essere utilizzato per molte diverse applicazioni di imaging a bolle, che non sono limitate solo all'imaging ad alta velocità. L'imaging ad alta velocità è stato utilizzato per le bolle di cavitazione generate in acqua e anche intorno a strumenti come file endodontici e scaler ad ultrasuoni12,25,26,27,28. Ad esempio Rivas et al. e Macedo et al. hanno utilizzato una telecamera ad alta velocità collegata a un microscopio, con illuminazione fornita da una fonte di luce fredda per la pulizia delle immagini con cavitazione, e per la cavitazione dell'immagine intorno a un file endodontico17,29. L'illuminazione di campo luminoso fornisce un maggiore contrasto tra lo sfondo e le bolle, rendendo possibile l'utilizzo di semplici tecniche di segmentazione come la soglia, come dimostrato da Rivas et al. per l'imaging e la quantificazione dell'erosione della cavitazione e della pulizianel tempo 29. L'illuminazione del campo scuro rende più difficile la soglia a causa della maggiore variazione delle scale digrigi 4,30. L'analisi delle immagini è stata utilizzata in altri studi per raccogliere ulteriori informazioni sulle bolle1,2. Vyas et al. ha usato un approccio di apprendimento automatico per segmento bolle di cavitazione intorno a un scaler adultrasuoni 20. Il metodo descritto nel documento attuale è più veloce perché utilizza la soglia semplice, quindi è meno intensivo dal punto di vista computazionale e le bolle che si verificano sopra e sotto il scaler possono essere analizzate. Tuttavia, il metodo di soglia utilizzato nel documento corrente è accurato solo se lo sfondo è uniforme. Se non è possibile ottenere uno sfondo uniforme durante l'imaging, è possibile utilizzare altre tecniche di elaborazione delle immagini, come l'uso della sottrazione di fondo utilizzando un raggio di palla rotante per correggere l'illuminazione irregolare, filtrare utilizzando filtri mediani o gaussiani per rimuovere il rumore o anche utilizzare tecniche basatesull'apprendimento automatico 20,31.

In conclusione, presentiamo un protocollo di imaging e analisi ad alta velocità per l'immagine e il calcolo dell'area di un oggetto microscopico in movimento. Abbiamo dimostrato questo metodo immaginando bolle di cavitazione intorno a una scala ultrasonica. Può essere utilizzato per la cavitazione di imaging intorno ad altri strumenti dentali come i file endodontici e può essere facilmente adattato per altre applicazioni di imaging bolla non dentale.

Disclosures

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

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgements

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

Gli autori sono grati per il finanziamento del Engineering and Physical Sciences Research Council EP/P015743/1.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Attacco 0,25xNavitar1-50011
12x con messa a fuoco fine da 12 mm
Lente zoom per microscopio a lunga distanza		Navitar1-50486
Adattatore 2x con attacco fNavitar1-62922
Ablatore a ultrasuoni Cavitron PlusDentsply Sirona8184003
Inserto a ultrasuoni Cavitron FSI 1000FSI 1000Dentsply SironaUCAFTHD
Guida di luce in fibra. Fascio di fibre da 8 mm lunghezza 1500 mm. Gruppo obiettivo di messa a fuoco per luce Hayashi, treppiede 1/4"-20
filettatura per il montaggio.		HayashiLGC1-
8L1500
Testa a ingranaggiManfrottoMN405Capacità di carico di 7,5 kg
HDF7010 Sorgente di luce per endoscopio a LED ad alta potenza
. Il LED da 150 W fornisce un'uscita fredda equivalente a 250 W
Xenon.		HayashiLA-HDF710
Treppiede pesanteManfrottoMN475BColonna centrale con ingranaggi, capacità di carico 12 kg
Fotocamera ad alta velocitàPhotron103526FASTCAM Mini AX200 900K M3 (16 GB di memoria)
Rotazione ad alta precisione  StadioThorlabsPR01/M
Martinetti da laboratorioCamlab1194083
Piastra scorrevole di microposizionamentoManfrottoSKU 454
Tavolino di microposizionamento 3DThorlabsPT3/M Rotazione
del tavolino di microposizionamentoThorlabsOCT-XYR1/MOCT-XYR1/M - Tavolino XY con piastra superiore solida
NEWTRON P5 XS Ablatore ad ultrasuoni ActeonF62118
Inserto ad ultrasuoni 10PActeonF00253

References

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