Obrazowanie i kwantyfikacja obszaru szybko poruszających się mikropęcherzyków za pomocą szybkiej kamery i analizy obrazu
5 września 2020
Mikropęcherzyki kawitacyjne są obrazowane za pomocą szybkiej kamery podłączonej do obiektywu zmiennoogniskowego. Wyjaśniono konfigurację eksperymentalną, a analiza obrazu służy do obliczenia obszaru kawitacji. Analiza obrazu odbywa się za pomocą ImageJ.
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.
Przegląd
Ten artykuł przedstawia metodę obrazowania mikropęcherzyków kawitacyjnych za pomocą szybkiej fotografii. Omówiono konfigurację i techniki analizy obrazu, umożliwiając obliczanie powierzchni kawitacyjnych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neurobiologia
- Biofizyka
- Inżynieria biomedyczna
Wprowadzenie
- Pęcherzyki kawitacyjne są ważne w różnych zastosowaniach, w tym w czyszczeniu zębów.
- Szybkie obrazowanie rejestruje szybkie procesy, takie jak dynamika pęcherzyków.
- Analiza obrazu może kwantyfikować powierzchnię kawitacji do badań porównawczych.
- Celem badania jest poprawa zrozumienia kawitacji w praktycznych zastosowaniach.
Cel badania
- Demonstracja techniki szybkiego obrazowania pęcherzyków kawitacyjnych.
- Opracowanie protokołu analizy obrazu do kwantyfikacji powierzchni kawitacji.
- Umożliwienie porównań między różnymi końcówkami skalerów ultradźwiękowych.
Wykorzystane metody
- Konfiguracja obejmuje kamerę o wysokiej prędkości, źródło światła i skaler ultradźwiękowy.
- Oprogramowanie ImageJ jest używane do analizy obrazu i obliczania powierzchni.
- Nagrywane są filmy o wysokiej prędkości, aby uchwycić dynamikę kawitacji.
- Warunki eksperymentalne są ustandaryzowane w celu zapewnienia odtwarzalności.
Główne wyniki
- Obliczono i porównano średnią powierzchnię pęcherzyków kawitacyjnych w różnych końcówkach.
- Obrazowanie o wysokiej prędkości skutecznie uchwyciło wzorce i dynamikę pęcherzyków.
- Metoda jest adaptowalna do różnych zastosowań wykraczających poza czyszczenie zębów.
- Wyniki można zweryfikować za pomocą symulacji modelowania elementów skończonych.
Wnioski
- Badanie dostarcza prostą metodę obrazowania kawitacji z wykorzystaniem szybkiego obrazowania.
- Szybka analiza obrazu może być stosowana do wielu obrazów w celu przeprowadzenia kompleksowych badań.
- Technika ta wzmacnia możliwości badawcze w zakresie obrazowania szybko poruszających się mikropęcherzyków.
Często zadawane pytania
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.
