Imaging e quantificazione dell'area delle microbolle in rapido movimento utilizzando una fotocamera ad alta velocità e l'analisi delle immagini
5 settembre 2020
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.
L'imaging ad alta velocità può essere utilizzato per immaginare processi veloci, come la dinamica della bolla di cavitazione. Dimostriamo un metodo di imaging delle bolle di cavitazione attorno a una punta dello scaler ad ultrasuoni dentale. La cavitazione intorno agli scaler ad ultrasuoni è in fase di ricerca per la pulizia della placca dentale, ma il metodo mostrato qui potrebbe essere utilizzato per molte applicazioni diverse.
Abbiamo anche sviluppato un protocollo di analisi delle immagini utilizzando un software open source che consente all'utente di calcolare l'area delle bolle di cavitazione per consentire confronti tra diversi esperimenti. Per creare la configurazione sperimentale, avrai bisogno di una fotocamera ad alta velocità, una sorgente di luce fredda ad alta intensità, due jack da laboratorio, uno stadio di microposizionamento con rotazione, uno stadio di microposizionamento 3D, un obiettivo zoom al microscopio e uno scaler ad ultrasuoni per generare microbolle di cavitazione o l'oggetto che desideri immagini. Per iniziare la procedura, collegare una fase di microposizionamento con traslazione e rotazione XYZ a un jack da laboratorio.
Fissare il manipolo dello scaler ad ultrasuoni nella fase di microposizionamento. Utilizzare una fotocamera ad alta velocità con la frequenza fotogrammi e la risoluzione desiderate. Collegare una piastra scorrevole a microposizionamento al corpo della telecamera ad alta velocità e collegarla a un treppiede.
Utilizzare un obiettivo con la risoluzione desiderata e l'obiettivo focale e collegarlo al corpo della fotocamera ad alta velocità. Collegare uno stadio di microposizionamento XY con rotazione a un altro jack da laboratorio e posizionare un serbatoio di imaging otticamente trasparente sopra questo. Avrai anche bisogno di una fonte di luce fredda ad alta intensità con una guida alla luce in fibra.
Riempire il serbatoio di imaging con acqua e immergere la punta dello strumento all'interno del serbatoio. Collegare la fotocamera e caricare la vista dal vivo nel software di imaging. Utilizzare un basso ingrandimento per concentrarsi sulla punta dello scaler ad ultrasuoni, riposizionando la sorgente luminosa, se necessario.
In questo studio, l'illuminazione è stata fornita in modalità campo luminoso. Selezionare la frequenza fotogrammi e la velocità dell'otturatore ottimali per la fotocamera ad alta velocità. In questo caso, è stata scelta una velocità dell'otturatore corta di 262 nanosecondi per garantire che le bolle di cavitazione in rapido movimento fossero a fuoco.
Regolare l'ingrandimento dell'obiettivo zoom e l'intensità della sorgente luminosa, in modo che lo sfondo sia bianco senza essere sovraesposto. Registrare l'angolo di rotazione della punta per la riproducibilità. Per garantire che il campo visivo sia coerente per ogni ripetizione, scegliete un punto di riferimento e annotate le coordinate.
In questo caso, il punto di riferimento era la punta dello scaler ad ultrasuoni. Se l'analisi dell'immagine verrà eseguita, prendere un'immagine dello strumento senza alcuna cavitazione. Questo verrà utilizzato per sottrarre l'area dello strumento per calcolare l'area delle bolle.
Quindi, immagine della cavitazione intorno allo strumento. Questi sono video ad alta velocità di cavitazione che si verificano intorno a diverse punte dello scaler ad ultrasuoni. In questo studio, l'analisi delle immagini è stata utilizzata per calcolare l'area media di cavitazione che si verifica, e questi grafici mostrano il confronto tra diverse punte.
Questa tecnica è utile per l'imaging di modelli di bolle e le loro posizioni esatte, il che è utile per capire come le bolle di cavitazione potrebbero essere utilizzate per diverse applicazioni, come la pulizia. Questi esperimenti di imaging ad alta velocità possono anche essere convalidati con nuove simulazioni mediche. Abbiamo usato articoli basati sulla modellazione di elementi finiti per simulare l'interazione tridimensionale, non lineare e transitoria tra la vibrazione e la formazione della punta del scaler.
Abbiamo anche simulato il flusso d'acqua intorno allo scaler, e la formazione di cavitazione e la loro dinamica. Questo protocollo mostra il modo relativamente semplice per creare una configurazione di imaging ad alta velocità, che se padroneggiata correttamente, può essere utile per l'imaging di bolle di cavitazione attorno a scaler ad ultrasuoni dentali, e anche per l'imaging di altri tipi di strumenti che producono microbolle di cavitazione. Dopo aver guardato questo video, dovresti avere una buona comprensione di come creare un'immagine ad alta velocità impostata per le microbolle in rapido movimento delle immagini.
Il vantaggio principale di questo metodo è facile da configurare e la rapida analisi delle immagini può essere facilmente applicata a centinaia di immagini. Questa tecnica aiuterà i ricercatori a utilizzare l'imaging ad alta velocità per immagini microbolle in rapido movimento e può essere facilmente adattata per varie applicazioni di imaging a bolle.
Panoramica
Questo articolo presenta un metodo per l'imaging dei microbolle di cavitazione utilizzando la fotografia ad alta velocità. Vengono discussi il setup e le tecniche di analisi delle immagini, che permettono il calcolo delle aree di cavitazione.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Neuroscienza
- Biofisica
- Ingegneria biomedica
Sfondo
- Le bolle di cavitazione sono importanti in varie applicazioni, inclusa la pulizia dentale.
- L'imaging ad alta velocità cattura processi veloci come la dinamica delle bolle.
- L'analisi delle immagini può quantificare le aree di cavitazione per studi comparativi.
- Lo studio mira a migliorare la comprensione della cavitazione per applicazioni pratiche.
Obiettivo dello studio
- Dimostrare una tecnica di imaging ad alta velocità per le bolle di cavitazione.
- Sviluppare un protocollo di analisi delle immagini per quantificare le aree di cavitazione.
- Facilitare confronti tra diverse punte di scaler ultrasonico.
Metodi utilizzati
- Il setup include una fotocamera ad alta velocità, una sorgente luminosa e uno scaler ultrasonico.
- Il software ImageJ viene utilizzato per l'analisi delle immagini e il calcolo delle aree.
- Vengono registrati video ad alta velocità per catturare la dinamica della cavitazione.
- Le condizioni sperimentali sono standardizzate per la riproducibilità.
Risultati principali
- È stata calcolata e confrontata l'area media delle bolle di cavitazione tra diverse punte.
- L'imaging ad alta velocità ha catturato efficacemente i modelli e le dinamiche delle bolle.
- Il metodo è adattabile per varie applicazioni oltre alla pulizia dentale.
- I risultati possono essere validati con simulazioni di modellizzazione a elementi finiti.
Conclusioni
- Lo studio fornisce un metodo semplice per l'imaging ad alta velocità della cavitazione.
- L'analisi rapida delle immagini può essere applicata a numerose immagini per studi completi.
- Questa tecnica migliora le capacità di ricerca nell'imaging di microbolle in movimento rapido.
Domande frequenti
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.
