Name: 高速カメラによる高速マイクロバブルのイメージングと定量化 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 31 s
Description: 学ぶ 高速カメラを用いたキャビテーションマイクロバブルのイメージングと定量化手法。ImageJによる画像解析で気泡面積を算出し、超音波スケーラー先端周辺の気泡動態を可視化・比較する。生体物理学および歯科工学研究に応用可能。

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著者らは、工学物理科学研究評議会EP/P015743/1からの資金提供に感謝しています。

1. 機器のセットアップ
<ol><li>イメージを作成するインストゥルメントまたはオブジェクトを選択します。この実験では超音波スケーラーを画像化した。キャビテーション気泡は、水中の超音波スケーラーの先端の周りに発生します。</li>
	<li>XYZの移動と回転で画像化する計測器のマイクロポジショニングステージを選択します。実験室のジャックの上に置きます。マイクロ位置決めステージにインストルメントハンドルを取り付ける</li>
	<li>イメージング用に光学的に透明な水容器を選択します。これらの実験で使用した容器は、ガラス顕微鏡スライドで作成した。</li>
	<li>回転プラットフォームを備えた XY ステージを選択します。実験室のジャックの上に置きます。水容器をステージに置き、ろ過水(逆浸透または蒸留)で満たします。</li>
</ol>2. 高速カメラのセットアップ
<ol><li>望ましいフレームレートと解像度を持つ高速カメラと、ファイバーライトガイドを備えた高輝度光源を選択します。</li>
	<li>マイクロポジショニングスライドプレートを高速カメラ本体に取り付け、三脚スタンドに接続します。</li>
	<li>目的の解像度と焦点距離を持つレンズを選択し、カメラに取り付けます。この実験では、ズームレンズを8.4μm/ピクセルの解像度で使用しました。</li>
	<li>撮像槽に水を充填し、水タンク内で画像化する器具の先端を所望の向きに配置します。</li>
	<li>カメラを接続し、ソフトウェアでライブビューをロードした後、必要に応じて光源を再配置し、超音波スケーラーの先端に焦点を合わせるために低倍率を使用してください。カメラの前に機器と光源を置き、フォーカスを合わせます。目的のフレームレートと明るさに合わせて調整します。 注: 高いフレームレート、短いシャッター速度、高倍率でのイメージングには、より高い光強度が必要です。照明は反射モードまたは伝送モードで提供することができます。このプロトコルでは、高輝度の冷たい照明装置を使用して、照明は伝送モード(明視野)で提供される。</li>
	<li>高速カメラの最適なフレームレートとシャッタースピードを設定します。この実験では、フレームレートは6400fpsで、シャッター速度は262ナノ秒でした。キャビテーション気泡などの動きの速い気泡に焦点を合わせるためには、短いシャッタースピードが必要です。</li>
	<li>ズームレンズの倍率と光源の強度を調整して、背景が露出し過ぎないようにします。</li>
</ol>3. キャリブレーション
<ol><li>先端の位置を記録します(x-yステージでの回転、再現性のための器具の回転角度)。</li>
	<li>繰り返しごとにビューフィールドの一貫性を保つには、参照点を選択し、座標をメモします。この場合、基準点は超音波スケーラーの先端であった。その後、視野内の同じ場所で、将来の実験で再配置することができます。</li>
	<li>ピクセルサイズが不明な場合は、設定された倍率で10μmのマーキングを持つ経緯線を画像化し、フィジーなどの画像解析ソフトウェアを使用して解像度を計算します。</li>
</ol>4. 高速ビデオ録画
<ol><li>キャビテーションなしで機器をイメージします。これは、キャビテーションバブルの面積を計算する際に、画像解析でキャビテーション画像から減算されます。画像の品質が失われないように、TIFF などの形式でビデオを保存します。</li>
	<li>キャビテーションで作動する器械をイメージする。正確な解析に十分なフレームがあることを確認します (例えば、5 つの繰り返しをそれぞれ 500 フレームで繰り返します)。</li>
</ol>5. 画像処理
<ol><li>ImageJのウェブサイト(https://imagej.net/Fiji)からフィジー19 をダウンロードしてください。ImageJ マクロコードが提供され、以下に説明する画像解析の手順が自動的に実行され、アプリケーションに合わせて変更することもできます。マクロの個々のステップは、ステップ 5.3 から 5.5 で説明されています。</li>
	<li>必要に応じて、イメージをトリミングして、不均等な照明に起因する暗い領域を除去します。すべての画像が同じサイズにトリミングされ、イメージ内の同じ位置にトリミングされていることを確認します。</li>
	<li>自動しきい値のいずれかを使用して自動的にしきい値を設定して、イメージをバイナリに変換します。この例では、最小自動しきい値が使用されます。</li>
	<li>[塗りつぶし穴]コマンドを実行して、誤ってセグメント化されたバブルの内側から黒いピクセルを削除します。</li>
	<li>スタックのヒストグラムを計算して、スケーラーに対応するピクセル数と各フレームのキャビテーションを表示します。</li>
	<li>この場合、バブルに対応するピクセルは白で、値は255になります。これらの測定値を保存します。</li>
	<li>泡なしで作動する器械のビデオのためにステップ5.3-5.6を繰り返す。</li>
	<li>ヒストグラムの結果からのみ超音波スケーラーの先端の平均面積を計算します。</li>
	<li>スケーラーの周りの気泡のビデオから計算された各領域から楽器の平均領域を差し引きます。気泡の面積は測定するために残されています。</li>
	<li>フィジーの画像計算機を使用して、気泡でスケーラーのバイナリ画像からスケーラーのバイナリ画像を差し引くことによって視覚化します。</li>
	<li>気泡の面積の平均と標準偏差を計算します。</li>
	<li>ピクセルサイズを二乗して、ピクセル数から面積(この場合はμm2)に値を変換します。高速カメラで経緯線を撮像する倍率を撮像と同じ倍率で撮像し、ImageJを使用してスケールを設定することで、各ピクセルのサイズを計算します。</li>
	<li>データをプロットします。また、異なる条件を比較する場合、気泡の面積に有意差を示す統計解析を行うこともできます。</li>
</ol>6. ImageJ マクロ
<ol><li>ImageJ/フィジーメニューで、プラグイン>新規>マクロに移動します。言語メニューで IJ1 マクロがチェックされていることを確認し、次のコードをコピーして貼り付けます。[実行] をクリックしてマクロ (補足ファイル) を実行します。</li>
</ol>

<ol><li>Asegehegn, T. W., Schreiber, M., Krautz, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigation+of+bubble+behavior+in+fluidized+beds+with+and+without+immersed+horizontal+tubes+using+a+digital+image+analysis+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Technologies%22%5BJournal%5D)">Investigation of bubble behavior in fluidized beds with and without immersed horizontal tubes using a digital image analysis technique.</a> Journal of Power Technologies. 210 (3), 248-260 (2011).</li>
<li>Busciglio, A., Vella, G., Micale, G., Rizzuti, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+the+bubbling+behaviour+of+2D+gas+solid+fluidized+beds%3A+Part+I.+Digital+image+analysis+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Engineering+Journal%22%5BJournal%5D)">Analysis of the bubbling behaviour of 2D gas solid fluidized beds: Part I. Digital image analysis technique.</a> Chemical Engineering Journal. 140 (1), 398-413 (2008).</li>
<li>Versluis, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+imaging+in+fluids%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">High-speed imaging in fluids.</a> Experiments in Fluids. 54 (2), 1-35 (2013).</li>
<li>Matsumoto, H., Yoshimine, Y., Akamine, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visualization+of+irrigant+flow+and+cavitation+induced+by+Er%3A+YAG+laser+within+a+root+canal+model%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Endodontics%22%5BJournal%5D)">Visualization of irrigant flow and cavitation induced by Er: YAG laser within a root canal model.</a> Journal of Endodontics. 37 (6), 839-843 (2011).</li>
<li>Young, F. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aYoung%2C+FR+%22Cavitation%22">Cavitation</a>. , World Scientific. (1999).</li>
<li>Brennen, C. E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBrennen%2C+CE+%22Cavitation+and+Bubble+Dynamics%22">Cavitation and Bubble Dynamics</a>. , Cambridge University Press. (2013).</li>
<li>Leighton, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLeighton%2C+T+%22The+acoustic+bubble%22">The acoustic bubble</a>. , Academic Press. (2012).</li>
<li>Verhaagen, B., Rivas, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+cavitation+and+its+cleaning+effect%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics+Sonochemistry%22%5BJournal%5D)">Measuring cavitation and its cleaning effect.</a> Ultrasonics Sonochemistry. 29, 619-628 (2016).</li>
<li>Oulahal-Lagsir, N., Martial-Gros, A., Boistier, E., Blum, L., Bonneau, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+development+of+an+ultrasonic+apparatus+for+the+non-invasive+and+repeatable+removal+of+fouling+in+food+processing+equipment%5BTitle%5D)+AND+%22Letters+in+Applied+Microbiology%22%5BJournal%5D)">The development of an ultrasonic apparatus for the non-invasive and repeatable removal of fouling in food processing equipment.</a> Letters in Applied Microbiology. 30 (1), 47-52 (2000).</li>
<li>Gale, G. W., Busnaina, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Roles+of+cavitation+and+acoustic+streaming+in+megasonic+cleaning%5BTitle%5D)+AND+%22Particulate+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Roles of cavitation and acoustic streaming in megasonic cleaning.</a> Particulate Science and Technology. 17 (3), 229-238 (1999).</li>
<li>Erriu, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+biofilm+modulation+by+ultrasound%3A+Current+concepts+and+controversies%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics+Sonochemistry%22%5BJournal%5D)">Microbial biofilm modulation by ultrasound: Current concepts and controversies.</a> Ultrasonics Sonochemistry. 21, 15-22 (2014).</li>
<li>Van der Sluis, L., Versluis, M., Wu, M., Wesselink, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Passive+ultrasonic+irrigation+of+the+root+canal%3A+a+review+of+the+literature%5BTitle%5D)+AND+%22International+Endodontic+Journal%22%5BJournal%5D)">Passive ultrasonic irrigation of the root canal: a review of the literature.</a> International Endodontic Journal. 40 (6), 415-426 (2007).</li>
<li>Vyas, N., Sammons, R. L., Addison, O., Dehghani, H., Walmsley, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+method+to+measure+biofilm+removal+efficiency+from+complex+biomaterial+surfaces+using+SEM+and+image+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">A quantitative method to measure biofilm removal efficiency from complex biomaterial surfaces using SEM and image analysis.</a> Scientific Reports. 6, 32694(2016).</li>
<li>Walmsley, A. D., Lea, S. C., Felver, B., King, D. C., Price, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+cavitation+activity+around+dental+ultrasonic+tips%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+Oral+Investigations%22%5BJournal%5D)">Mapping cavitation activity around dental ultrasonic tips.</a> Clinical Oral Investigations. 17 (4), 1227-1234 (2013).</li>
<li>Price, G. J., Tiong, T. J., King, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sonochemical+characterisation+of+ultrasonic+dental+descalers%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics+Sonochemistry%22%5BJournal%5D)">Sonochemical characterisation of ultrasonic dental descalers.</a> Ultrasonics Sonochemistry. 21, 2052-2060 (2014).</li>
<li>Felver, B., King, D. C., Lea, S. C., Price, G. J., Damien Walmsley, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cavitation+occurrence+around+ultrasonic+dental+scalers%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics+Sonochemistry%22%5BJournal%5D)">Cavitation occurrence around ultrasonic dental scalers.</a> Ultrasonics Sonochemistry. 16, 692-697 (2009).</li>
<li>Macedo, R. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sonochemical+and+high-speed+optical+characterization+of+cavitation+generated+by+an+ultrasonically+oscillating+dental+file+in+root+canal+models%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics+Sonochemistry%22%5BJournal%5D)">Sonochemical and high-speed optical characterization of cavitation generated by an ultrasonically oscillating dental file in root canal models.</a> Ultrasonics Sonochemistry. 21, 324-335 (2014).</li>
<li>Reuter, F., Lauterborn, S., Mettin, R., Lauterborn, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membrane+cleaning+with+ultrasonically+driven+bubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics+Sonochemistry%22%5BJournal%5D)">Membrane cleaning with ultrasonically driven bubbles.</a> Ultrasonics Sonochemistry. 37, 542-560 (2017).</li>
<li>Schindelin, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fiji%3A+an+open-source+platform+for+biological-image+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Fiji: an open-source platform for biological-image analysis.</a> Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).</li>
<li>Vyas, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+Imaging+of+Cavitation+around+Dental+Ultrasonic+Scaler+Tips%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">High-speed Imaging of Cavitation around Dental Ultrasonic Scaler Tips.</a> PLoS One. 11 (3), 0149804(2016).</li>
<li>Ahmed, F. S., Sensenich, B. A., Gheni, S. A., Znerdstrovic, D., Al Dahhan, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bubble+dynamics+in+2D+bubble+column%3A+comparison+between+high-speed+camera+imaging+analysis+and+4-point+optical+probe%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Engineering+Communications%22%5BJournal%5D)">Bubble dynamics in 2D bubble column: comparison between high-speed camera imaging analysis and 4-point optical probe.</a> Chemical Engineering Communications. 202 (1), 85-95 (2015).</li>
<li>Honkanen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reconstruction+of+three-dimensional+bubble+surface+from+high-speed+orthogonal+imaging+of+dilute+bubbly+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+Computational+Methods+in+Multiphase+Flow+V%2C+New+Forest%2C+UK%22%5BJournal%5D)">Reconstruction of three-dimensional bubble surface from high-speed orthogonal imaging of dilute bubbly flow.</a> Proceedings of Computational Methods in Multiphase Flow V, New Forest, UK. , 469-480 (2009).</li>
<li>do Amaral, C. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image+processing+techniques+for+high-speed+videometry+in+horizontal+two-phase+slug+flows%5BTitle%5D)+AND+%22Flow+Measurement+and+Instrumentation%22%5BJournal%5D)">Image processing techniques for high-speed videometry in horizontal two-phase slug flows.</a> Flow Measurement and Instrumentation. 33, 257-264 (2013).</li>
<li>Lau, Y., Deen, N., Kuipers, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+an+image+measurement+technique+for+size+distribution+in+dense+bubbly+flows%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Engineering+Science%22%5BJournal%5D)">Development of an image measurement technique for size distribution in dense bubbly flows.</a> Chemical Engineering Science. 94, 20-29 (2013).</li>
<li>Matsumoto, Y., Yoshizawa, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Behaviour+of+a+bubble+cluster+in+an+ultrasound+field%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+for+Numerical+Methods+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">Behaviour of a bubble cluster in an ultrasound field.</a> International Journal for Numerical Methods in Fluids. 47 (6-7), 591-601 (2005).</li>
<li>Peeters, H. H., Iskandar, B., Suardita, K., Suharto, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visualization+of+removal+of+trapped+air+from+the+apical+region+of+the+straight+root+canal+models+generating+2-phase+intermittent+counter+flow+during+ultrasonically+activated+irrigation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Endodontics%22%5BJournal%5D)">Visualization of removal of trapped air from the apical region of the straight root canal models generating 2-phase intermittent counter flow during ultrasonically activated irrigation.</a> Journal of Endodontics. 40 (6), 857-861 (2014).</li>
<li>Halford, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synergistic+effect+of+microbubble+emulsion+and+sonic+or+ultrasonic+agitation+on+endodontic+biofilm+in+vitro%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Endodontics%22%5BJournal%5D)">Synergistic effect of microbubble emulsion and sonic or ultrasonic agitation on endodontic biofilm in vitro.</a> Journal of Endodontics. 38 (11), 1530-1534 (2012).</li>
<li>Kauer, M., Belova-Magri, V., Cairós, C., Linka, G., Mettin, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+imaging+of+ultrasound+driven+cavitation+bubbles+in+blind+and+through+holes%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics+Sonochemistry%22%5BJournal%5D)">High-speed imaging of ultrasound driven cavitation bubbles in blind and through holes.</a> Ultrasonics Sonochemistry. 48, 39-50 (2018).</li>
<li>Rivas, D. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Localized+removal+of+layers+of+metal%2C+polymer%2C+or+biomaterial+by+ultrasound+cavitation+bubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">Localized removal of layers of metal, polymer, or biomaterial by ultrasound cavitation bubbles.</a> Biomicrofluidics. 6 (3), 034114(2012).</li>
<li>Pishchalnikov, Y. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cavitation+Bubble+Cluster+Activity+in+the+Breakage+of+Kidney+Stones+by+Lithotripter+Shockwaves%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Endourology%22%5BJournal%5D)">Cavitation Bubble Cluster Activity in the Breakage of Kidney Stones by Lithotripter Shockwaves.</a> Journal of Endourology. 17 (7), 435-446 (2003).</li>
<li>Sternberg, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomedical+image+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Computer%22%5BJournal%5D)">Biomedical image processing.</a> Computer. (1), 22-34 (1983).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

本論文では、空間分解能や時間分解能の高い高速移動マイクロバブルのイメージングが可能になります。化学工学、歯科、医学などの科学分野の広い範囲に利益をもたらす可能性があります。エンジニアリングアプリケーションには、表面を洗浄するためのイメージングキャビテーション気泡、または流動床反応器内のイメージング気泡が含まれます。生物医学の適用は、医療および歯科器具の周りの画像化キャビテーションおよびキャビテーション気泡を使用して硬いおよび柔らかいティッシュからのバイオフィルムデブリドメントをイメージ投射する。本研究では、2つの異なる歯科超音波スケーラー先端の周りにキャビテーションをイメージングすることによって技術を実証した。キャビテーションの量は、この研究でテストされた2つの先端の間で異なり、より多くのキャビテーション雲が先端10Pの自由端の周りに観察される。これは以前に振動振幅20にリンクされています。高速ビデオは、FSI 1000先端の振動が少ないことを示しており、この先端の周りにキャビテーションが少ない理由である可能性が高い。
画像解析方法の 1 つの制限は、スケーラが振動しているため、スケーラの領域を除去するイメージ減算手法が完全に正確ではないため、減算によってスケータの一部の領域が気泡として誤ってセグメント化される可能性があることです。しかし、これは多数のフレーム(n =2000)から面積を平均化することによって説明されています。これは、減算されるオブジェクトが静止しているアプリケーションでは問題ではありません。減算する移動オブジェクトの分散が大きく、正確な結果を得るためには、両方の動画の動きを同期させると、正確な結果を得ることをおすすめします。今回の研究では振動を同期化しませんでしたが、振動が低かったので、この2つの測定では振動が互いにうまく対応していると考えることができます。
明視野照明は良好なコントラストを持つ均一な背景を提供するので、画像のしきい値は正確です。背景が均一で、誤ってセグメント化される可能性のある他のオブジェクトが含まれていないことを確認することが重要です。しきい値の方法は、アプリケーションに合わせて他の自動しきい値を使用して変更できます。手動しきい値 (ユーザーがしきい値を設定する場合) も可能ですが、結果の再現性が低下するため、ユーザーによって異なるしきい値が選択されるため、推奨されません。
画像解析は、他の多くのバブルイメージング研究に使用されています。これらはまた、逆光の同様の方法を使用して、気泡と背景の間の最適なコントラストを得るために、そして、バブル21、22、23、2422,23,をセグメント化するしきい値を得る。21現在の研究で示されている方法は、高速イメージングのみに限定されない多くの異なるバブルイメージングアプリケーションに使用されるように一般化することもできる。高速イメージングは、水中で発生するキャビテーション気泡や、内ドンティックファイルや超音波スケーラー12、25、26、27、28などの機器の周りに使用されています。12,25,26,27,28例えば、Rivas et al. と Macedo et al. は、顕微鏡に取り付けられた高速カメラを用い、キャビテーションによる画像洗浄に冷たい光源によって提供される照明を用いて、および、内洞ファイル17,29,29の周囲の画像キャビテーションに対する。明るいフィールド照明は、背景と気泡の間でよりコントラストを提供し、時間29にわたるキャビテーションの浸食および洗浄をイメージングおよび定量するためにRivasらによって示されるように、閾値のような単純なセグメンテーション技術を使用することを可能にする。暗視野照明はグレーのスケール44、3030の高い変動のために、しきい値をより困難にします。画像解析は、気泡1,,2に関する詳細情報を収集するために他の研究で使用されています。Vyasらは、超音波スケーラー20の周りにキャビテーション気泡をセグメント化する機械学習アプローチを使用した。現在の論文で説明されている方法は、単純なしきい値を使用して計算負荷が少なく、スケーラの上下に発生する気泡を分析できるため、より迅速です。ただし、現在の用紙で使用されているしきい値の方法は、背景が均一である場合にのみ正確です。撮像中に均一な背景を得ることができない場合、転球半径を用いた背景減算を使用して不均一な照明を補正したり、ノイズを除去するために中央値またはガウスフィルタを使用してフィルタリングしたり、機械学習ベースの技術20,31を用いるなど、31他の画像処理技術を用いることができる。
結論として、微視的移動物体の面積を画像化し、計算するための高速イメージングおよび解析プロトコルを提示する。我々は、超音波スケーラーの周りにキャビテーション気泡をイメージングすることによって、この方法を実証しました。それはエンドドンティックファイルのような他の歯科器具のまわりのイメージ投機のために使用することができ、他の非歯科バブルのイメージ投射の適用のために容易に合わせることができる。

気泡の動きをイメージングすることは、システムの流体力学を制御するため、様々な用途にとって重要です。これは、多くの用途で有用である:流動床11、2、2またはキャビテーション気泡33、44で洗浄する場合。泡をイメージングする目的は、気泡のダイナミクスや気泡の雲の方向と動きについてより深く理解することです。これは、画像化された構造を観察し、また画像解析を使用して気泡の大きさなどの定量的情報を得ることによって行うことができます。
キャビテーション気泡は、圧力が飽和圧力値5を下回ると流体中で発生する気体または気蒸気の実体である。超音波周波数で流体に音響場を適用すると発生する可能性があります。彼らは繰り返し成長し、崩壊し、崩壊時に高速マイクロジェットと衝撃波66、77の形でエネルギーを放出することができます。これらは、せん断力を通じて表面上の粒子を取り除き、表面洗浄8を引き起こす可能性があります。キャビテーション気泡は、半導体、,食品、創傷洗浄,99、10、11、12など、さまざまな産業での表面洗浄について調査されています。,101112それらはまた歯からの歯垢をきれいにするために使用され、歯科インプラント12、13,13のような生体材料。キャビテーションは、超音波スケーラーや歯内膜ファイルなどの現在使用されている歯科器具の周りに発生し、これらの器具14で追加の洗浄プロセスとしての可能性を示す。
キャビテーションバブルの振動は数マイクロ秒にわたって発生するため、高速カメラは毎秒数千フレームでの画像化によってモーションをキャプチャする必要があります 8.歯科超音波スケーラーの周りにマイクロバブルキャビテーションをイメージングする方法を実証する。目的は、キャビテーションが異なる超音波スケーラーの周りにどのように変化するかを理解することですので、それは歯垢をきれいにする新しい方法として最適化することができます。
キャビテーションを調査するために使用される以前の方法には、15,16,16のキャビテーションがどこで起こったかを検出するためにルミノールを使用するソノケミルミネッセンスが含まれる。しかし、これは間接的な手法であり、キャビテーション気泡をリアルタイムで可視化することはできません。したがって、機器上でどこで起こるかを正確に判断することはできず、他の撮像技術17と組み合わさっていない限り、気泡動態に関する情報を得ることができない。高速イメージングは、キャビテーション気泡の成長と崩壊だけでなく、キャビテーション雲、マイクロストリーマーおよびマイクロジェット66、7、187,18のキャビテーションの種類をイメージすることができます。これらは、キャビテーションがサーフェスをクリーニングする方法についての詳細を提供します。
高速カメラを用いてキャビテーションマイクロバブルを撮像し、キャビテーションの平均面積を算出する方法を紹介する。この方法は、異なる歯科超音波スケーラーの先端の周りに発生するキャビテーションの例を使用して実証されていますが、実験および画像分析ステップは、他のマクロおよびマイクロバブルのイメージングなど、他のアプリケーションに使用することができます。

<table><tbody><tr><td>0.25x アタッチメント</td><td>Navitar</td><td>1-50011</td><td></td></tr><tr><td>12x 12mm ファインフォーカス 長距離顕微鏡ズームレンズ</td><td>Navitar</td><td>1-50486</td><td></td></tr><tr><td>f マウント付き 2x アダプター</td><td>Navitar</td><td>1-62922</td><td></td></tr><tr><td>Cavitron Plus 超音波スケーラー</td><td>Dentsply Sirona</td><td>8184003</td><td></td></tr><tr><td>Cavitron 超音波インサート FSI 1000FSI 1000</td><td>Dentsply Sirona</td><td>UCAFTHD</td><td></td></tr><tr><td>ファイバー ライト ガイド。8mm ファイバー バンドル 1500mm 長さ。林ライト用フォーカシングレンズアッセンブリー、1/4"-20三脚 ネジ取り付け用。</td><td>林</td><td>LGC1- 8L1500</td><td></td></tr><tr><td>ギヤードヘッド</td><td>マンフロット</td><td>MN405</td><td>7.5kg 耐荷重</td></tr><tr><td>HDF7010 ハイパワーLED内視鏡 ライト 光源 150W LEDは、キセノン250W 相当の冷間出力を提供します。</td><td>林</td><td>LA-HDF710</td><td></td></tr><tr><td>ヘビーウェイト三脚</td><td>マンフロット</td><td>MN475B</td><td>ギヤードセンターコラム 耐荷重12kg</td></tr><tr><td>ハイスピードカメラ</td><td>フォトロン</td><td>103526</td><td>FASTCAM Mini AX200 900K M3 (16GB メモリ)</td></tr><tr><td>高精度回転&nbsp;ステージ</td><td>Thorlabs</td><td>PR01/M</td><td></td></tr><tr><td>ラボラトリージャッキ</td><td>Camlab</td><td>1194083</td><td></td></tr><tr><td>マイクロポジショニング スライドプレート</td><td>マンフロット</td><td>SKU 454</td><td></td></tr><tr><td>マイクロポジショニングステージ 3D</td><td>Thorlabs</td><td>PT3/M</td><td></td></tr><tr><td>マイクロポジショニングステージ回転</td><td>Thorlabs</td><td>OCT-XYR1/M</td><td>OCT-XYR1/M - XYステージ、ソリッドトッププレート付き</td></tr><tr><td>NEWTRON P5 XS超音波スケーラー&nbsp;</td><td>Acteon</td><td>F62118</td><td></td></tr><tr><td>超音波インサート10P</td><td>アクテオン</td><td>F00253</td><td></td></tr></tbody></table>

高速カメラによる高速マイクロバブルのイメージングと定量化

Imaging and Quantification of the Area of Fast-Moving Microbubbles Using a High-Speed Camera and Image Analysis

キャビテーション気泡をイメージングし、その面積を計算するための実験的および画像解析技術が提示されています。ここで紹介する高速イメージング実験技術と画像解析プロトコルは、他の研究分野における顕微鏡バブルのイメージングにも適用できます。したがって、それはアプリケーションの広い範囲を持っています。これは、歯科超音波スケーラーの周りの画像キャビテーションに適用されます。画像キャビテーションは、キャビテーションを特徴付け、さまざまなアプリケーションでの利用方法を理解することが重要です。歯科超音波スケーラーの周りに発生するキャビテーションは、現在の歯周治療技術よりも効果的で損傷が少ない歯垢除去の新しい方法として使用することができます。高速カメラとズームレンズを用いて、歯科超音波スケーラー先端付近で発生するキャビテーション気泡雲を撮像する方法を紹介します。機械学習画像解析を用いてキャビテーション面積を計算する。オープンソースソフトウェアは画像解析に使用されます。提示された画像分析は、複製が容易で、プログラミング経験を必要とせず、ユーザーの用途に合わせて簡単に変更できます。

画像解析のステップは、テストした超音波スケーラーの先端の1つについて図1に示されています。FSI 1000先端と10Pチップは、冷却水をオフにした状態で水タンク内で画像化しました(図2)。キャビテーションは、最大電力で先端FSI 1000の曲がりに近く、かつチップ10Pのフリーエンド付近で発生した(図3および図4)。キャビテーションの平均面積は、FSI 1000先端の場合は0.1±0.07 mm 2、10P先端では0.50±0.25mm2であった(図5)。2 2
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61509/61509fig1.jpg"> 図1:高速イメージングの設定と画像解析の手順(a)研究で使用される高速イメージング設定の概略図。(b) 研究で使用された画像解析ステップの概略図であり、スケーラー先端の左側にのみ生画像を表示し、キャビテーションとともに、次いで互いに二項化して減算してキャビテーション雲の面積を計算する。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/61509fig1large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61509/61509fig2.jpg"> 図2:異なる先端の間の比較 テストされた2つの超音波スケーラーの先端の周囲に生じるキャビテーションを示す高速画像静止画(a)FSI 1000(b)10P.ab<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/61509fig2large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するにはここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61509/61509fig3.jpg"> 図3:ヒント10P高速画像:毎秒6400フレームで撮影されたビデオから、先端10Pの高速画像静止画。 キャビテーションは、先端の自由端の周りに見ることができます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/61509fig3large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61509/61509fig4.jpg"> 図 4: ヒント FSI1000 高速画像: 1 秒あたり 6400 フレームで撮影されたビデオから、先端 FSI 1000 の高速画像静止画。 先端の中央の周りにキャビテーションが見える。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/61509fig4large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61509/61509fig5.jpg"> 図5:キャビテーション領域画像解析結果 図示した画像解析技術を用いて算出したFSI 1000および10P超音波スケーラー先端の周囲で生じるキャビテーションの平均領域。誤差範囲は標準偏差を表します。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/61509fig5large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/Jove_macro.ijm" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

キャビテーションマイクロバブルは、ズームレンズに取り付けられた高速カメラを使用して画像化されます。実験のセットアップが説明され、画像解析を使用してキャビテーションの面積を計算します。画像解析は ImageJ を使用して行います。

An experimental and image analysis technique is presented for imaging cavitation bubbles and calculating their area. The high-speed imaging experimental ...

高速イメージングは、キャビテーションバブルダイナミクスなどの高速プロセスを画像化するために使用できます。歯科超音波スケーラー先端の周りにキャビテーション気泡をイメージングする方法を実証する。超音波スケーラーの周りのキャビテーションは、歯垢を洗浄するために研究されているが、ここで示す方法は、多くの異なる用途に使用することができます。また、ユーザーがキャビテーション気泡の面積を計算して異なる実験間の比較を可能にするオープンソースソフトウェアを使用して画像解析プロトコルを開発しました。実験用セットアップを作成するには、高速カメラ、高強度の冷たい光源、2つの実験室ジャック、回転を伴うマイクロポジショニングステージ、3Dマイクロポジショニングステージ、顕微鏡ズームレンズ、およびキャビテーションマイクロバブルを生成するための超音波スケーラー、または画像を撮りたいオブジェクトが必要です。手順を開始するには、XYZ変換と回転を伴うマイクロ位置決め段階を実験室用ジャックに取り付けます。マイクロ位置決め段階で超音波スケーラーのハンドピースを固定します。目的のフレームレートと解像度を持つ高速カメラを使用します。マイクロ位置決めスライドプレートを高速カメラ本体に取り付け、三脚に接続します。目的の解像度と焦点レンズを持つレンズを使用し、高速カメラ本体に取り付けます。回転を伴うXYマイクロポジションステージを別の実験室用ジャックに取り付け、その上に光学的に透明なイメージングタンクを置きます。また、繊維の導光と高強度の冷たい光源が必要になります。イメージングタンクに水を充填し、装置の先端をタンク内に浸します。カメラを接続し、イメージングソフトウェアでライブビューをロードします。必要に応じて光源を再配置し、超音波スケーラーの先端に焦点を合わせるために低倍率を使用してください。本研究では、明視野モードで照明を提供した。高速カメラの最適なフレームレートとシャッタースピードを選択します。この場合、動きの速いキャビテーション気泡が焦点を合わせるために262ナノ秒の短いシャッター速度が選択されました。ズームレンズの倍率と光源の強度を調整し、背景が露出過多にならずに白色になるようにします。再現性のために先端の回転角度を記録します。繰り返しごとにビューフィールドの一貫性を保つには、参照点を選択し、座標をメモします。この場合、基準点は超音波スケーラーの先端であった。画像解析を行う場合は、キャビテーションを行わずに機器の画像を撮ります。これは、気泡の面積を計算するために、計器の面積を減算するために使用されます。次に、機器の周囲のキャビテーションを画像化します。これらは、異なる超音波スケーラーの先端の周りに発生するキャビテーションの高速ビデオです。この研究では、画像解析を使用してキャビテーションの平均面積を計算し、これらのグラフは異なる先端間の比較を示した。この手法は、バブル パターンとその正確な位置をイメージングする場合に便利で、掃除などのさまざまな用途にキャビテーション バブルを使用する方法を理解するのに役立ちます。これらの高速イメージング実験は、新しい医療シミュレーションでも検証できます。有限要素モデリングに基づく記事を使用して、振動とスケーラ先端の形成との間の三次元、非線形、および過渡的な相互作用をシミュレートしました。また、スケーラーの周りの水の流れ、キャビテーションの形成とそのダイナミクスをシミュレートしました。このプロトコルは、高速イメージングセットアップを作成する比較的簡単な方法を示しており、正しく習得すると、歯科超音波スケーラーの周りのキャビテーション気泡をイメージングしたり、キャビテーションマイクロバブルを生成する他のタイプの機器をイメージングするのにも役立ちます。このビデオを見た後、動きの速いマイクロバブルをイメージするために設定された高速イメージングを作成する方法をよく理解する必要があります。この方法の主な利点は、セットアップが容易であり、迅速な画像解析は、数百の画像に簡単に適用することができます。この技術は、高速イメージングを使用して高速イメージングを使用して高速移動マイクロバブルを画像化するのに役立ち、さまざまなバブルイメージングアプリケーションに容易に適応することができます。

imaging-quantification-area-fast-moving-microbubbles-using-high-speed

Research

JoVE Journal

Bioengineering

バイオエンジニアリング（生体工学）

流体の流れの範囲のための定量的な3次元（3D）イメージングを行うための方法を提案している。ライトフィールドイメージングの領域から概念を使用して、我々は、画像の配列から3Dボリュームを再構築します。当社の3D結果は速度場および多相気泡サイズ分布を含む広い範囲にわたっています。...

マルチカメラライトフィールドイメージングを介して3D流れ場の決定

マイクロ粒子画像流速（μPIV）が正確な速度プロファイルを与えるクロス相関である血流に播種したマイクロ粒子のペアのイメージを視覚化するために使用されます。臨床用途を有する各々が剪断速度、最大速度、速度プロファイルの形状、流量は、これらの測定値から導出することができる。...

マイクロ血流の速度プロファイル測定用マイクロ粒子画像流速

ここでは、生きている、孤立した後期妊娠期のマウス胚に超音波マイクロバブル造影剤を注入するためのプロトコルを提示する。この方法は、灌流パラメータ及びコントラスト強調高周波超音波イメージングを用いて、胚内の血管の分子マーカーの研究を可能にする。...

高周波超音波を用いて、マウス胚におけるコントラストイメージング

マイクロ流体チップを作製し、タンデムバブル生成用の金ドットと、その近くのシングルセルパターニング用のフィブロネクチン被覆島を生成しました。得られた流れ場は、粒子画像速度測定によって特徴付けられ、細胞膜ポレーション、膜変形、細胞内カルシウム応答など、さまざまな生体効果の研究に使用されました。...

単一細胞レベルでのキャビテーション気泡（複数可） - 細胞相互作用し、得られた生体効果を調査するための表面パターニングとマイクロ流体システム

血液脳関門(BBB)は、マイクロバブル媒介性集中超音波(FUS)で一時的に破壊することができる。ここでは、非超音波専門家がアクセス可能なモジュラーFUSシステムを使用して、高スループットBBBのインビボでの開口のためのステップバイステッププロトコルについて説明する。...

げっ歯類における血液脳関門開口のためのハイスループット画像誘導定型神経ナビゲーションと集中超音波システム

2つの気泡間の合体技術に基づく単一のトラップ音響気泡の形状振動を制御するための高速で信頼性の高い技術が提案されています。定常状態で対称的に制御された気泡形状振動により、気泡界面近傍で発生する流体の流れを解析できます。...

音響浮上システムにおける非球面気泡振動によるマイクロストリーミングの誘導

このプロトコルは、血液脳関門透過性を高めるために、焦点を合わせて超音波およびマイクロバブル治療中にげっ歯類脳の生体 内...

リアルタイムの生体内多光子顕微鏡で、血液脳関門透過性を高める、集中超音波治療とマイクロバブル治療を可視化

提示されたプロトコルは、超音波誘発薬物送達用途のために設計された蛍光標識マイクロバブルの応答を特徴付けるために使用することができ、その活性化メカニズムとその生物効果を含む。本論文では、関連する長さとタイムスケールを捉えるために実施されるイン ビトロ および インビボ...

超音波誘発薬物放出のための蛍光標識マイクロバブルの特性評価のためのマルチタイムスケール顕微鏡法

このプロトコルでは、脂質マイクロバブルの作製と、マイクロバブルの物理化学的特性を保存する精製フリーの&gt;95%のラベリング効率を備えた互換性のあるワンポットマイクロバブル放射性標識法の概要を説明します。この方法は、多様な脂質マイクロバブル製剤に有効であり、放射性および/または蛍光マイクロバブルを生成するように調整できます。...

蛍光および放射性トレーサーによるマイクロバブルの作製と標識

超音波局在顕微鏡 (ULM) は、最近開発された技術であり、 in vivo で微小血管系をイメージングする際に前例のないレベルの解像度を可能にします。この研究では、前臨床研究用に設計された標準化された機能的超音波イメージングプラットフォームを使用して、げっ歯類の脳微小血管系の超解像画像を取得する方法を詳細に説明します。...

げっ歯類の脳微小血管系の超解像マッピングのための超音波局在顕微鏡

学ぶ 高速カメラを用いたキャビテーションマイクロバブルのイメージングと定量化手法。ImageJによる画像解析で気泡面積を算出し、超音波スケーラー先端周辺の気泡動態を可視化・比較する。生体物理学および歯科工学研究に応用可能。

高速カメラによる高速マイクロバブルのイメージングと定量化

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