Name: 고속 카메라 및 이미지 분석을 사용하여 빠르게 움직이는 마이크로 버블 영역의 이미징 및 정량화 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 31 s
Description: 학습하세요 고속 카메라와 이미지 분석을 사용하여 치과용 초음파 스케일러 주변의 캐비테이션 마이크로 버블을 이미징하고 정량화하는 방법을. 이 기술은 빠르게 움직이는 기포 역학 연구에 활용됩니다.

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저자는 공학 및 물리 과학 연구 위원회 EP / P015743/1의 자금 조달에 감사드립니다.

1. 악기 설정
<ol><li>이미지를 사용할 계측기 또는 오브젝트를 선택합니다. 이 실험에서 초음파 스케일러가 이미지화되었다. 캐비테이션 버블은 물 속의 초음파 스케일러 의 끝 주위에 발생합니다.</li>
	<li>XYZ 번역 및 회전으로 이미지를 지정할 계측기의 마이크로 포지셔닝 스테이지를 선택합니다. 실험실 잭에 놓습니다. 기기 핸들을 마이크로 포지셔닝 스테이지에 부착</li>
	<li>이미징을 위해 광학적으로 투명한 물 용기를 선택합니다. 이 실험에 사용된 용기는 유리 현미경 슬라이드로 만들어졌습니다.</li>
	<li>회전 플랫폼을 통해 XY 스테이지를 선택합니다. 실험실 잭에 놓습니다. 물 용기를 무대에 놓고 여과된 물(역삼투압 또는 증류)으로 채웁니다.</li>
</ol>2. 고속 카메라 설정
<ol><li>원하는 프레임 속도와 해상도가 있는 고속 카메라와 파이버 라이트 가이드가 있는 고강도 광원을 선택합니다.</li>
	<li>마이크로포지싱 슬라이딩 플레이트를 고속 카메라 본체에 부착하여 삼각대 스탠드에 연결합니다.</li>
	<li>원하는 해상도와 초점 거리가 있는 렌즈를 선택하고 카메라에 부착합니다. 이 실험을 위해 줌 렌즈는 8.4 μm/픽셀의 해상도에서 사용되었습니다.</li>
	<li>이미징 탱크를 물로 채우고 원하는 방향으로 물 탱크에서 이미지할 기기의 끝을 배치합니다.</li>
	<li>카메라를 연결하고 소프트웨어에서 라이브 뷰를 로드한 후 낮은 배율을 사용하여 초음파 스케일러의 끝에 초점을 맞추고 필요한 경우 광원을 재배치합니다. 기기와 광원을 카메라 앞에 배치하고 초점을 맞춥니다. 원하는 프레임 속도와 밝기에 맞게 조정합니다. 참고: 높은 프레임 속도, 짧은 셔터 속도 및/또는 높은 배율로 이미징에 더 높은 조명 강도가 필요합니다. 조명은 반사 모드 또는 전송 모드에서 제공 될 수있다. 이 프로토콜에서 조명은 고강도 냉동 조명 장치를 사용하여 전송 모드(밝은 필드)로 제공됩니다.</li>
	<li>고속 카메라를 위한 최적의 프레임 속도와 셔터 속도를 설정합니다. 이 실험에서 프레임 속도는 262 나노 초의 셔터 속도를 가진 6400 fps였습니다. 캐비테이션 버블과 같은 빠르게 움직이는 기포에 짧은 셔터 속도가 필요합니다.</li>
	<li>확대/축소 렌즈의 배율과 광원의 강도를 조정하여 배경이 과다 노출되지 않고 흰색이 되도록 합니다.</li>
</ol>3. 교정
<ol><li>팁의 위치를 기록합니다(x-y 단계에서 회전, 재현성을 위한 계측기의 회전 각도).</li>
	<li>각 반복에 대해 뷰 필드가 일관성이 있는지 확인하려면 참조점을 선택하고 좌표를 기록합니다. 이 경우 기준점은 초음파 스케일러의 끝이었다. 그런 다음 향후 실험에서 시야 내의 동일한 장소에서 재배치할 수 있습니다.</li>
	<li>픽셀 크기를 알 수 없는 경우, 세트 배율에서 10 μm 표시가 있는 그레이티쿨을 이미지화하고 피지와 같은 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 해상도를 계산합니다.</li>
</ol>4. 고속 비디오 녹화
<ol><li>캐비테이션없이 악기를 이미지. 이는 캐비테이션 기포의 영역을 계산할 때 이미지 분석에서 캐비테이션 이미지에서 빼됩니다. 이미지 품질이 손실되지 않도록 TIFF와 같은 형식으로 비디오를 저장합니다.</li>
	<li>캐비테이션으로 작동하는 계측기를 이미지화합니다. 정확한 분석을 위한 충분한 프레임이 있는지 확인합니다(예: 각각 500프레임의 반복 5회).</li>
</ol>5. 이미지 처리
<ol><li>ImageJ 웹 사이트 (https://imagej.net/Fiji)에서 피지19를 다운로드합니다. ImageJ 매크로 코드가 제공되어 아래에 설명된 이미지 분석 단계를 자동으로 수행하고 응용 프로그램에 맞게 변경할 수도 있습니다. 매크로의 개별 단계는 5.3-5.5 단계에 설명되어 있습니다.</li>
	<li>이미지를 자르면 필요한 경우 고르지 않은 조명으로 인한 어두운 영역을 제거합니다. 모든 이미지가 동일한 크기와 이미지의 동일한 지점에서 잘라내도록 합니다.</li>
	<li>자동 임계값 중 하나를 사용하여 이미지를 자동으로 임계값으로 변환합니다. 이 예제에서는 최소 자동 임계값이 사용됩니다.</li>
	<li>채우기 구멍 명령을 실행하여 잘못 분할된 거품 내부에서 검은색 픽셀을 제거합니다.</li>
	<li>스택의 히스토그램을 계산하여 각 프레임의 스케일러 및 캐비테이션에 해당하는 픽셀 수를 표시합니다.</li>
	<li>이 경우 거품에 해당하는 픽셀은 흰색이고 값(255)이 있습니다. 이러한 측정값을 저장합니다.</li>
	<li>거품없이 작동하는 악기의 비디오에 대한 단계 5.3-5.6을 반복합니다.</li>
	<li>히스토그램의 결과에서만 초음파 스케일러 팁의 평균 영역을 계산합니다.</li>
	<li>스케일러 주변의 기포 비디오에서 계산된 각 영역에서 계측기의 평균 영역을 뺍니다. 거품의 영역은 측정 할 남아있다.</li>
	<li>피지의 이미지 계산기를 사용하여 거품이 있는 스케일러의 바이너리 이미지에서 스케일러의 이진 이미지를 빼서 시각화합니다.</li>
	<li>거품 영역의 평균 및 표준 편차를 계산합니다.</li>
	<li>픽셀 수에서 영역(이 경우 μm2)으로값을 픽셀 크기를 곱하여 변환합니다. 이미징에 사용했던 것과 동일한 배율로 고속 카메라로 그레이티쿨을 이미징하여 각 픽셀의 크기를 계산하고 ImageJ를 사용하여 스케일을 설정합니다.</li>
	<li>데이터를 플롯합니다. 또한 다른 조건을 비교하는 경우 기포 영역에 유의한 차이를 나타내기 위해 통계 분석을 수행할 수도 있다.</li>
</ol>6. 이미지 J 매크로
<ol><li>ImageJ/Fiji 메뉴에서 플러그인 > 뉴 > 매크로로이동하십시오. IJ1 매크로가 언어 메뉴에서 확인되어 다음 코드를 복사하여 붙여넣습니다. 매크로(보충 파일)를실행하려면 실행을 클릭합니다.</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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>
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</ol>

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이 논문에 설명된 기술은 높은 공간 및 시간적 해상도로 빠르게 움직이는 마이크로 버블의 이미징을 가능하게 합니다. 그것은 잠재적으로 화학 공학 등 과학 분야의 넓은 범위에 혜택을 받을 수 있습니다., 치과 및 의학. 엔지니어링 응용 분야에는 표면 청소를 위한 이미징 캐비테이션 기포 또는 유동화된 침대 반응기의 이미징 기포가 포함됩니다. 생체 의학 응용 분야에는 의료 및 치과 기기 주변의 이미징 캐비테이션과 캐비테이션 버블을 사용하여 단단하고 연약한 조직에서 생체 막 탈염을 이미징하는 것이 포함됩니다. 이 연구에서우리는 두 개의 다른 치과 초음파 스케일러 팁 주위에 캐비테이션을 이미징하여 기술을 시연했습니다. 캐비테이션의 양은 팁 10P의 자유 끝 주위에 관찰된 더 많은 캐비테이션 구름과 함께,이 연구에서 테스트 된 두 가지 팁 사이에 다릅니다. 이것은 이전에 진동 진폭(20)에연결되었습니다. 고속 비디오는 FSI 1000 팁의 진동이 적다는 것을 보여 주므로 이 팁 주위에 캐비테이션이 덜 되는 이유가 될 수 있습니다.
이미지 분석 방법의 한 가지 제한은 스케일러가 진동하기 때문에 스케일러의 영역을 제거하는 이미지 빼기 기술이 완전히 정확하지 않으므로 감산이 버기로 잘못 분할된 스케일러의 일부 영역을 남길 수 있다는 것입니다. 그러나 이는 많은 수의 프레임(n=2000)에서 영역을 평균화하여 설명합니다. 이 문제는 오브젝트를 빼는 응용 프로그램에서 는 문제가 되지 않습니다. 빼야 할 움직이는 오브젝트가 훨씬 더 높은 분산이 있는 스터디의 경우 정확한 결과를 위해 빼기 전에 두 동영상의 움직임을 동기화하는 것이 좋습니다. 현재 연구에서는 진동을 동기화하지 않았지만 진동이 낮았기 때문에 진동이 이 두 측정에서 서로 잘 일치한다고 가정할 수 있습니다.
밝은 필드 조명이 좋은 대비를 가진 균일 한 배경을 제공하기 때문에 이미지 임계 값은 정확합니다. 배경이 균일하고 잘못 분할될 수 있는 다른 개체가 포함되어 있지 않도록 하는 것이 중요합니다. 임계값 을 사용하여 응용 프로그램에 맞게 다른 자동 임계값을 사용하여 수정할 수 있습니다. 사용자가 임계값값을 설정하는 수동 임계값도 가능하지만 다른 사용자가 다른 임계값을 선택하므로 결과의 재현성을 감소시키지 않는 것이 좋습니다.
이미지 분석은 다른 많은 버블 이미징 연구에 사용되었습니다. 이들은 또한 거품과 배경 사이의 최적의 대비를 얻기 위해 백라이트의 유사한 방법을 사용하고, 거품 을 분할 하는 임계값21,,22,,23,,24. 현재 연구에서 나타난 방법은 또한 고속 이미징에만 국한되지 않는 많은 다른 버블 이미징 응용 프로그램에 사용할 수 있습니다. 고속 이미징은 물에서 발생하는 캐비테이션 기포와 내뇌 파일 및 초음파,스케일러(12,25,12,26,,27, 27),28등의 기기 주변에도 사용되어 왔다. 예를 들어 Rivas 외. 및 Macedo 외. 현미경에 부착 된 고속 카메라를 사용, 캐비테이션으로 이미지 청소에 차가운 광원에 의해 제공 된 조명, 내적 파일 주위의 이미지 캐비테이션(17,,29). 밝은 필드 조명은 배경과 거품 사이의 더 많은 대비를 제공하여 Rivas 등에서 시연한 바와 같이 임계값과 같은 간단한 세분화 기술을 사용할 수 있게 하여29에따른 캐비테이션 침식 및 정량화에 대해 서술 침식 및 세척을 할 수 있다. 암장 조명은 회색 저울4,,30의높은 변화로 인해 임계값을 더 어렵게 만듭니다. 이미지 분석은 다른 연구에서 거품1,,2에대한 자세한 정보를 수집하는 데 사용되었습니다. Vyas 등은 기계 학습 접근 방식을 사용하여 초음파스케일러(20)를중심으로 캐비테이션 기포를 세그먼트로 분류했다. 현재 용지에 설명된 방법은 간단한 임계값을 사용하므로 계산 집약적이므로 더 빠르며 스케일러 위와 아래에서 발생하는 기포를 분석할 수 있습니다. 그러나 현재 용지에 사용되는 임계값 은 배경이 균일한 경우에만 정확합니다. 이미징 중에 균일한 배경을 얻을 수 없는 경우, 고르지 않은 조명을 위해 롤링 볼 반경을 사용하여 배경 빼기, 중간 또는 가우시안 필터를 사용하여 필터링하여 노이즈를 제거하거나 기계 학습 기반기술(20,,31)을사용하는 등 다른 이미지 처리 기술을 사용할 수 있다.
결론적으로, 우리는 현미경 이동 물체의 영역을 이미지와 계산하기 위해 고속 이미징 및 분석 프로토콜을 제시합니다. 우리는 초음파 스케일러 주위에 캐비테이션 거품을 이미징하여이 방법을 시연했습니다. 그것은 내적 파일과 같은 그밖 치과 기기의 주위에 화상 진찰 cavitation를 위해 이용될 수 있고 그밖 비 치과 거품 화상 진찰 애플리케이션을 위해 쉽게 적응될 수 있습니다.

기포의 움직임을 이미징하는 것은 시스템의 유체 역학을 제어하기 때문에 다양한 응용 분야에 중요합니다. 유동된 침대 반응기1,2,또는 캐비테이션 기포33,4로청소하는 등 유용할 수 있는 많은 응용 분야가 있습니다., 이미징 버블의 목적은 거품 역학또는 거품 구름의 방향과 움직임에 대해 더 많이 이해하는 것입니다. 이는 이미지 분석과 함께 기포의 크기와 같은 정량적 정보를 얻기 위해 이미지 분석을 사용하여 구조물을 관찰하여 수행할 수 있다.
캐비테이션 기포는 압력이 포화 압력 값5이하로 떨어질 때 유체에서 발생하는 가스 또는 증기 실체이다. 초음파 주파수에서 유체에 음향 장이 적용될 때 발생할 수 있습니다. 그들은 반복적으로 성장하고 붕괴하고, 붕괴시 고속 마이크로 제트와 충격파6,,7의형태로 에너지를 방출 할 수 있습니다. 이들은 전단 힘을 통해 표면에 입자를 빼내고 표면 청소8을일으킬 수 있습니다. 반도체, 식품, 상처 청소,9,,10,11,12등 다양한 산업에서 표면 청소를 위해 캐비테이션기포를조사하고 있다. 그(것)들은 또한 치과 임플란트12,,13와같은 치아 및 생체 재료에서 치패를 청소하는 것을 이용될 수 있었습니다. 캐비테이션은 초음파 스케일러 및 내인성 파일과 같은 현재 사용되는 치과 기기 주변에서 발생하며 이러한악기(14)를사용하여 추가 청소 공정으로 잠재력을 보여줍니다.
캐비테이션 버블의 진동은 몇 마이크로초에 걸쳐 발생하므로 초당 수천 프레임에서 이미징하여 모션을 캡처하는 고속 카메라가 필요합니다8. 우리는 치과 초음파 스케일러 주위에 마이크로 버블 캐비테이션을 이미징하는 방법을 보여줍니다. 목표는 캐비테이션이 다른 초음파 스케일러 에 대해 어떻게 변화하는지 이해하는 것입니다, 그래서 그것은 치과 플라크를 청소하는 새로운 방법으로 최적화 될 수있다.
캐비테이션을 조사하는 데 사용되는 이전 방법은15,,16캐비테이션이발생한 곳을 감지하기 위해 루미놀을 사용하는 sonochemi발광을 포함한다. 그러나, 이것은 간접적인 기술이고 실시간으로 캐비테이션 기포를 시각화할 수 없습니다. 따라서, 기기에서 발생하는 정확한 위치를 정확하게 결정할 수 없으며, 다른 이미징 기법과 결합되지 않는 한 버블 역학에 대한 정보를 얻을 수없다(17). 고속 이미징은 캐비테이션 구름, 마이크로스트리머 및 마이크로,제트6,7,718등 캐비테이션 기포가 성장하고 붕괴될 뿐만 아니라 캐비테이션의 유형도 이미지화할 수 있다. 이는 캐비테이션이 표면을 청소하는 방법에 대한 자세한 정보를 제공합니다.
고속 카메라를 이용하여 캐비테이션 마이크로버블을 이미징하고 캐비테이션의 평균 영역을 계산하는 방법을 제시합니다. 이 방법은 다른 치과 초음파 스케일러 팁 주위에 발생하는 캐비테이션의 예를 사용하여 입증되지만 실험 및 이미지 분석 단계는 다른 매크로 및 마이크로 버블 이미징과 같은 다른 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>0.25x 첨부 Navitar</td><td></td><td>1-50011</td><td></td></tr><tr><td>12x 12mm 미세 초점 장거리 현미경 줌 렌즈</td><td>Navitar</td><td>1-50486</td><td></td></tr><tr><td>f 마운트 2x 어댑터</td><td>Navitar</td><td>1-62922</td><td></td></tr><tr><td>Cavitron Plus 초음파 스케일</td>러 <td>Dentsply Sirona</td><td>8184003</td><td></td></tr><tr><td>Cavitron 초음파 인서트 FSI 1000FSI 1000</td><td>Dentsply Sirona</td><td>UCAFTHD</td><td></td></tr><tr><td>파이버 라이트 가이드.8mm 파이버 번들, 1500mm 길이. 하야시 라이트용 초점 렌즈 어셈블리, 장착용 1/4"-20 삼각대 나사.</td><td>Hayashi</td><td>LGC1- 8L1500</td><td></td></tr><tr><td>기어드 헤드</td><td>Manfrotto</td><td>MN405</td><td>7.5kg 적재 용량</td></tr><tr><td>HDF7010 고출력 LED 내시경 조명 소스. 150W LED는 250W 크세논에 해당하는 콜드 출력을 제공합니다.</td><td>Hayashi</td><td>LA-HDF710</td><td></td></tr><tr><td>중량급 삼각대</td><td>Manfrotto</td><td>MN475B</td><td>기어드 센터 컬럼, 12kg 부하 용량</td></tr><tr><td>고속 카메라</td><td>Photron</td><td></td><td>103526 FASTCAM Mini AX200 900K M3 (16GB 메모리)</td></tr><tr><td>고정밀 회전&nbsp; 스테이지</td><td>Thorlabs</td><td>PR01/M</td><td></td></tr><tr><td>실험실 잭</td><td>Camlab</td><td>1194083</td><td></td></tr><tr><td>마이크로포지셔닝 슬라이딩 플레이트</td><td>Manfrotto</td><td>SKU 454</td><td></td></tr><tr><td>마이크로포지셔닝 스테이지 3D</td><td>Thorlabs</td><td>PT3/M</td><td></td></tr><tr><td>마이크로포지셔닝 스테이지 회전</td><td>Thorlabs</td><td>OCT-XYR1/M</td><td>OCT-XYR1/M - 솔리드 상판이 있는 XY 스테이지</td></tr><tr><td>NEWTRON P5 XS 초음파 스케일러&nbsp;</td><td>Acteon</td><td>F62118</td><td></td></tr><tr><td>초음파 인서트 10P</td><td>Acteon</td><td>F00253</td><td></td></tr></tbody></table>

고속 카메라 및 이미지 분석을 사용하여 빠르게 움직이는 마이크로 버블 영역의 이미징 및 정량화

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

실험 및 이미지 분석 기술은 캐비테이션 기포를 이미징하고 해당 영역을 계산하기 위해 제시됩니다. 여기에 제시된 고속 영상 실험 기술 및 이미지 분석 프로토콜은 또한 연구의 다른 분야에서 이미징 현미경 기포에 적용될 수 있습니다; 따라서 광범위한 응용 프로그램이 있습니다. 우리는 치과 초음파 스케일러 주변의 이미지 캐비테이션에 이것을 적용합니다. 캐비테이션을 이미지화하여 특성화하고 다양한 응용 분야에서 어떻게 악용할 수 있는지 이해하는 것이 중요합니다. 치과 초음파 스케일러 주변에서 발생하는 캐비테이션은 치과 플라크 제거의 새로운 방법으로 사용될 수 있으며, 이는 현재 치주 치료 기술보다 더 효과적이고 적은 손상을 일으킬 것입니다. 우리는 고속 카메라와 줌 렌즈를 사용하여 치과 초음파 스케일러 팁 주위에 발생하는 캐비테이션 버블 구름을 이미징하는 방법을 제시합니다. 또한 기계 학습 이미지 분석을 사용하여 캐비테이션 영역을 계산합니다. 오픈 소스 소프트웨어는 이미지 분석에 사용됩니다. 제시된 이미지 분석은 복제하기 쉽고 프로그래밍 경험이 필요하지 않으며 사용자의 응용 프로그램에 맞게 쉽게 수정할 수 있습니다.

이미지 분석 단계는 테스트된 초음파 스케일러 팁 중 하나에 대해 도 1에서 볼 수 있습니다. 냉각수가 꺼져 있는 물 탱크 내부에 FSI 1000 팁과 10P 팁이 이미지되었다(그림 2). 캐비테이션은 팁 FSI 1000의 굴곡 근처에서 최대 전력으로 발생했으며, 팁 10P(그림3 및 도 4)의자유 끝 부근에서 발생하였다. 캐비테이션의 평균 면적은 FSI 1000 팁에 대해 0.1 ± 0.07 mm2이고 10P 팁(도 5)에대해 0.50 ± 0.25 mm2였습니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61509/61509fig1.jpg"> 도 1: 연구에 사용되는 고속 이미징 설정 및 이미지 분석단계(a)회로도. (b)스터디 팁의 왼쪽에 원시 이미지를 보여주고 캐비테이션을 통해 캐비테이션을 통해 캐비테이션을 통해 캐비테이션에 사용된 이미지 분석 단계의 회로도는 캐비테이션 구름의 면적을 계산하기 위해 서로 비나화되고 빼졌다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/61509fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61509/61509fig2.jpg"> 그림 2: 테스트된 두 개의 초음파 스케일러 팁(a)FSI 1000(b)10P 를 중심으로 캐비테이션이 발생하는 것을 보여주는 다른 팁 고속 이미지 스틸사이의 비교는 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/61509fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61509/61509fig3.jpg"> 그림 3: 팁 10P 고속 이미지: 초당 6400 프레임으로 촬영한 비디오에서 팁 10P의 고속 이미지 스틸. 캐비테이션은 팁의 자유 끝 주위에 볼 수 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/61509fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61509/61509fig4.jpg"> 그림 4: 팁 FSI1000 고속 이미지: 초당 6400 프레임으로 촬영한 비디오에서 FSI 1000의 고속 이미지 스틸. 캐비테이션은 팁 의 중간 주위에 볼 수 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/61509fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61509/61509fig5.jpg"> 그림 5: 캐비테이션 영역 이미지 분석 결과. 설명된 이미지 분석 기술을 사용하여 계산된 FSI 1000 및 10P 초음파 스케일러 팁을 중심으로 캐비테이션의 평균 면적. 오류 막대는 표준 편차를 나타냅니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/61509fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61509/Jove_macro.ijm" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>

캐비테이션 마이크로버블은 줌 렌즈에 부착된 고속 카메라를 사용하여 이미지화됩니다. 실험 용 설정이 설명되고, 이미지 분석은 캐비테이션의 영역을 계산하는 데 사용된다. 이미지 분석은 ImageJ를 사용하여 수행됩니다.

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

고속 이미징은 캐비테이션 버블 역학과 같은 빠른 프로세스를 이미지화하는 데 사용할 수 있습니다. 우리는 치과 초음파 스케일러 팁 주위에 캐비테이션 기포를 이미징하는 방법을 보여줍니다. 초음파 스케일러 주변의 캐비테이션은 치과 플라크 를 청소하기 위해 연구되고 있지만 여기에 표시된 방법은 많은 다른 응용 프로그램에 사용될 수 있습니다.또한 사용자가 캐비테이션 버블 영역을 계산하여 서로 다른 실험 간의 비교를 허용하는 오픈 소스 소프트웨어를 사용하여 이미지 분석 프로토콜을 개발했습니다. 실험용 설정을 만들려면 고속 카메라, 고강도 콜드 광원, 두 개의 실험실 잭, 회전이 있는 미세 배치 단계, 3D 미세 위치 단계, 현미경 줌 렌즈 및 캐비테이션 마이크로 버블을 생성하는 초음파 스케일러 또는 이미지를 원하는 물체가 필요합니다. 절차를 시작하려면 XYZ 번역 및 회전을 실험실 잭에 연결하는 마이크로 위치 단계를 연결합니다.마이크로 포지싱 단계에서 초음파 스케일러의 핸드피스를 수정합니다. 원하는 프레임 속도와 해상도가 있는 고속 카메라를 사용합니다. 마이크로포지싱 슬라이딩 플레이트를 고속 카메라 본체에 부착하고 삼각대에 연결합니다.원하는 해상도와 초점 렌즈렌즈를 사용하여 고속 카메라 본체에 부착합니다. 다른 실험실 잭에 회전XY 미세 위치 단계를 부착하고 이 위에 광학적으로 투명한 이미징 탱크를 배치합니다. 또한 섬유 광 가이드가있는 고강도 냉광원이 필요합니다.이미징 탱크에 물을 채우고 탱크 내부의 기기 끝을 담급니다. 카메라를 연결하고 이미징 소프트웨어에서 라이브 뷰를 로드합니다. 낮은 배율을 사용하여 초음파 스케일러의 끝에 초점을 맞추고 필요한 경우 광원을 재배치하십시오.이 연구에서는 밝은 필드 모드에서 조명이 제공되었습니다. 고속 카메라의 최적의 프레임 속도와 셔터 속도를 선택합니다. 이 경우 빠르게 움직이는 캐비테이션 버블이 초점을 맞출 수 있도록 262나노초의 짧은 셔터 속도를 선택했습니다.줌 렌즈의 배율과 광원의 강도를 조정하므로 배경은 과다 노출되지 않고 흰색입니다. 재현성을 위해 팁의 회전 각도를 기록합니다. 각 반복에 대해 뷰 필드가 일관성이 있는지 확인하려면 참조점을 선택하고 좌표를 기록합니다.이 경우 기준점은 초음파 스케일러의 끝이었습니다. 이미지 분석이 완료되면 캐비테이션없이 악기의 이미지를 가져 가라. 이것은 기악기의 영역을 빼기 위해 거품의 영역을 계산하는 데 사용됩니다.그런 다음 악기 주변의 캐비테이션을 이미지합니다. 이들은 다른 초음파 스케일러 팁 주위에 발생하는 캐비테이션의 고속 비디오입니다. 이 연구에서는 이미지 분석이 캐비테이션의 평균 영역을 계산하는 데 사용되었으며 이러한 그래프는 서로 다른 팁 간의 비교를 보여줍니다.이 기술은 이미징 버블 패턴과 정확한 위치에 유용하며, 이는 캐비테이션 기포가 청소와 같은 다양한 용도에 어떻게 사용될 수 있는지 이해하는 데 유용합니다. 이 고속 화상 진찰 실험은 또한 새로운 의학 시뮬레이션으로 검증될 수 있습니다. 유한 요소 모델링을 기반으로 한 아티클을 사용하여 진동과 스케일러 팁 형성 사이의 3차원, 비선형 및 일시적인 상호 작용을 시뮬레이션했습니다.또한 스케일러 주변의 물 흐름과 캐비테이션 형성 및 역학을 시뮬레이션했습니다. 이 프로토콜은 고속 이미징 설정을 만드는 비교적 간단한 방법을 보여 주며, 올바르게 마스터할 때 치과 초음파 스케일러 주변의 캐비테이션 버블을 이미징하는 데 유용할 수 있으며 캐비테이션 마이크로 버블을 생성하는 다른 유형의 기기를 이미징하는 데에도 유용할 수 있습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 빠르게 움직이는 마이크로버블을 이미지화하기 위해 설정된 고속 이미징을 만드는 방법에 대해 잘 이해해야 합니다.이 방법의 주요 장점은 설정하기 쉽고, 빠른 이미지 분석은 쉽게 이미지의 수백에 적용 할 수 있습니다. 이 기술은 연구원이 빠르게 움직이는 마이크로 버블을 이미지화하기 위해 고속 이미징을 사용하는 데 도움이되며 다양한 버블 이미징 응용 분야에 쉽게 적응할 수 있습니다.

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

Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

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멀티 카메라 라이트 필드 영상을 통해 3D 흐름 필드를 결정하는

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