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

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.