Obrazowanie i kwantyfikacja obszaru szybko poruszających się mikropęcherzyków za pomocą szybkiej kamery i analizy obrazu

Szybkie obrazowanie może być wykorzystywane do obrazowania szybkich procesów, takich jak dynamika pęcherzyków kawitacyjnych. Demonstrujemy metodę obrazowania pęcherzyków kawitacyjnych wokół końcówki dentystycznego skalera ultradźwiękowego. Kawitacja wokół skalerów ultradźwiękowych jest badana pod kątem czyszczenia płytki nazębnej, ale przedstawiona tutaj metoda może być stosowana do wielu różnych zastosowań.

Opracowaliśmy również protokół analizy obrazu przy użyciu oprogramowania open source, który pozwala użytkownikowi obliczyć powierzchnię pęcherzyków kawitacyjnych, aby umożliwić porównania między różnymi eksperymentami. Aby stworzyć konfigurację eksperymentalną, będziesz potrzebować szybkiej kamery, źródła zimnego światła o dużej intensywności, dwóch gniazd laboratoryjnych, stolika do mikropozycjonowania z rotacją, stolika do mikropozycjonowania 3D, obiektywu zmiennoogniskowego mikroskopu i skalera ultradźwiękowego do generowania mikropęcherzyków kawitacji lub obiektu, który chcesz zobrazować. Aby rozpocząć procedurę, przymocuj stolik do mikropozycjonowania z translacją i obrotem XYZ do podnośnika laboratoryjnego.

Zamocuj rękojeść skalera ultradźwiękowego na etapie mikropozycjonowania. Użyj szybkiej kamery o żądanej liczbie klatek na sekundę i rozdzielczości. Przymocuj przesuwną płytkę mikropozycjonowania do korpusu szybkiej kamery i podłącz ją do statywu.

Użyj obiektywu o żądanej rozdzielczości i obiektywu ogniskowego, a następnie przymocuj go do korpusu aparatu o dużej szybkości. Przymocuj stolik do mikropozycjonowania XY z obrotem do innego podnośnika laboratoryjnego i umieść na nim optycznie przezroczysty zbiornik do obrazowania. Będziesz także potrzebował źródła zimnego światła o dużej intensywności z światłowodem światłowodowym.

Napełnij zbiornik obrazowania wodą i zanurz końcówkę instrumentu w zbiorniku. Podłącz aparat i załaduj podgląd na żywo do oprogramowania do obrazowania. Użyj małego powiększenia, aby ustawić ostrość na końcówce skalera ultradźwiękowego, w razie potrzeby zmieniając położenie źródła światła.

W tym badaniu oświetlenie zapewniono w trybie jasnego pola. Wybierz optymalną liczbę klatek na sekundę i czas otwarcia migawki dla szybkiego aparatu. W tym przypadku wybrano krótki czas otwarcia migawki wynoszący 262 nanosekundy, aby zapewnić ostrość szybko poruszających się pęcherzyków kawitacyjnych.

Dostosuj powiększenie obiektywu zmiennoogniskowego i intensywność źródła światła, aby tło było białe bez prześwietlenia. Zapisz kąt obrotu końcówki, aby zapewnić odtwarzalność. Aby upewnić się, że pole widzenia jest spójne dla każdego powtórzenia, wybierz punkt odniesienia i zanotuj współrzędne.

W tym przypadku punktem odniesienia była końcówka skalera ultradźwiękowego. Jeśli zostanie przeprowadzona analiza obrazu, zrób zdjęcie instrumentu bez kawitacji. Zostanie to wykorzystane do odjęcia pola instrumentu w celu obliczenia pola powierzchni pęcherzyków.

Następnie zobrazuj kawitację wokół instrumentu. Są to szybkie filmy przedstawiające kawitację zachodzącą wokół różnych końcówek skalera ultradźwiękowego. W tym badaniu analiza obrazu została wykorzystana do obliczenia średniej powierzchni występującej kawitacji, a te wykresy pokazują porównanie między różnymi końcówkami.

Technika ta jest przydatna do obrazowania wzorów pęcherzyków i ich dokładnych lokalizacji, co jest przydatne do zrozumienia, w jaki sposób pęcherzyki kawitacyjne mogą być wykorzystywane do różnych zastosowań, takich jak czyszczenie. Te szybkie eksperymenty obrazowe można również zweryfikować za pomocą nowych symulacji medycznych. Wykorzystaliśmy artykuły oparte na modelowaniu metodą elementów skończonych, aby zasymulować trójwymiarową, nieliniową i przejściową interakcję między drganiami a powstawaniem końcówki skalera.

Przeprowadziliśmy również symulację przepływu wody wokół skalera oraz powstawania kawitacji i ich dynamiki. Protokół ten pokazuje stosunkowo prosty sposób na stworzenie zestawu do szybkiego obrazowania, który po prawidłowym opanowaniu może być przydatny do obrazowania pęcherzyków kawitacyjnych wokół dentystycznych skalerów ultradźwiękowych, a także do obrazowania innych typów instrumentów, które wytwarzają mikropęcherzyki kawitacyjne. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak stworzyć zestaw do szybkiego obrazowania do obrazowania szybko poruszających się mikropęcherzyków.

Główną zaletą tej metody jest łatwość konfiguracji, a szybką analizę obrazu można łatwo zastosować do setek obrazów. Technika ta pomoże naukowcom w wykorzystaniu szybkiego obrazowania do obrazowania szybko poruszających się mikropęcherzyków i będzie można ją łatwo dostosować do różnych zastosowań obrazowania pęcherzyków.