Yüksek Hızlı Kamera ve Görüntü Analizi Kullanarak Hızlı Hareket Eden Mikrokabarcıkların Görüntülenmesi ve Ölçülmesi
5 Eylül 2020
Kavitasyon mikrokabarcıkları, zum objektifine bağlı yüksek hızlı bir kamera kullanılarak görüntülenir. Deneysel kurulum açıklanır ve kavitasyon alanını hesaplamak için görüntü analizi kullanılır. Görüntü analizi ImageJ kullanılarak yapılır.
Yüksek hızlı görüntüleme, kavitasyon kabarcığı dinamiği gibi hızlı süreçleri görüntülemek için kullanılabilir. Biz bir diş ultrasonik ölçekleyici ucu etrafında kavitasyon kabarcıkları görüntüleme yöntemi göstermektedir. Ultrasonik ölçekleyiciler etrafında Kavitasyon diş plağı temizliği için araştırılmaktadır, ancak burada gösterilen yöntem birçok farklı uygulamalar için kullanılabilir.
Ayrıca, kullanıcının farklı deneyler arasında karşılaştırmalar yapmak için kavitasyon baloncuklarının alanını hesaplamasına olanak tanıyan açık kaynak yazılımını kullanarak bir görüntü analizi protokolü geliştirdik. Deneysel kurulum oluşturmak için, bir yüksek hızlı kamera, yüksek yoğunluklu soğuk ışık kaynağı, iki laboratuvar jakları, rotasyon ile bir mikrokonumlandırma aşaması, bir 3D mikrokonumlandırma aşaması, bir mikroskop zum lens ve bir ultrasonik ölçekleyici kavitasyon mikrokabarcıklar oluşturmak için, ya da görüntü istediğiniz nesne gerekir. İşleme başlamak için, XYZ çevirisi ve rotasyonu içeren bir mikrokonumlandırma aşamasını bir laboratuvar jakına takın.
Mikrokonumlandırma aşamasında ultrasonik ölçekleyicinin el parçasını düzeltin. İstenilen kare hızı ve çözünürlüğüne sahip yüksek hızlı bir kamera kullanın. Yüksek hızlı kamera gövdesine bir mikrokonumlandırma sürgülü plaka takın ve bir tripoda bağlayın.
İstenilen çözünürlükte ve odak lensine sahip bir lens kullanın ve yüksek hızlı kamera gövdesine takın. Başka bir laboratuvar jakına dönüşlü bir XY mikrokonumlandırma aşaması yerleştirin ve bunun üzerine optik olarak saydam bir görüntüleme tankı yerleştirin. Ayrıca bir fiber ışık kılavuzu ile yüksek yoğunluklu soğuk ışık kaynağı gerekir.
Görüntüleme tankını suyla doldurun ve cihazın ucunu tankın içine batırın. Kamerayı bağlayın ve canlı görünümü görüntüleme yazılımına yükleyin. Gerekirse ışık kaynağı yeniden konumlandırma, ultrasonik ölçekleyici ucu odaklanmak için düşük büyütme kullanın.
Bu çalışmada aydınlatma parlak alan modunda sağlanmıştır. Yüksek hızlı kamera için en uygun kare hızını ve deklanşör hızını seçin. Bu durumda, hızlı hareket eden kavitasyon kabarcıklarının odakta olduğundan emin olmak için 262 nanosaniyelik kısa bir deklanşör hızı seçilmiştir.
Zum merceğinin büyütülmesini ve ışık kaynağının yoğunluğunu ayarlayın, böylece arka plan aşırı pozlanmadan beyaz olur. Tekrarlanabilirlik için ucun dönüş açısını kaydedin. Görüş alanının her yineleme için tutarlı olduğundan emin olmak için bir başvuru noktası seçin ve koordinatları not edin.
Bu durumda, başvuru noktası ultrasonik ölçekleyici ucu oldu. Görüntü analizi yapılacaksa, herhangi bir kavitasyon olmadan aletin bir görüntüsünü alın. Bu kabarcıklar alanını hesaplamak için enstrümanın alanını çıkarmak için kullanılacaktır.
Daha sonra, aletin etrafındaki boşluğu görüntüleyin. Bu farklı ultrasonik ölçekleyici ipuçları etrafında meydana gelen kavitasyon yüksek hızlı videolar. Bu çalışmada, oluşan kavitasyonun ortalama alanını hesaplamak için görüntü analizi kullanılmıştır ve bu grafikler farklı uçlar arasındaki karşılaştırmayı göstermektedir.
Bu teknik, boşluklu kabarcıkların temizlik gibi farklı uygulamalar için nasıl kullanılabileceğini anlamak için yararlı olan kabarcık desenlerini ve tam konumlarını görüntülemede yararlıdır. Bu yüksek hızlı görüntüleme deneyleri de yeni tıbbi simülasyonlar ile doğrulanabilir. Titreşim ve ölçekleyici ucunun oluşumu arasındaki üç boyutlu, doğrusal olmayan ve geçici etkileşimi simüle etmek için sonlu elemanmodellemesine dayalı makaleler kullandık.
Ayrıca ölçekleyicinin etrafındaki su akışını, kavitasyon oluşumunu ve dinamiklerini simüle ettik. Bu protokol, yüksek hızlı görüntüleme kurulumu oluşturmak için nispeten basit bir yol gösterir, doğru hakim olduğunda, diş ultrasonik ölçekleyiciler etrafında kavitasyon kabarcıkları görüntüleme için yararlı olabilir, ve aynı zamanda kavitasyon mikrokabarcıklar üretmek araçların diğer türleri görüntüleme için. Bu videoyu izledikten sonra, hızlı hareket eden mikrokabarcıklar görüntü için ayarlanmış yüksek hızlı bir görüntüleme oluşturmak için nasıl iyi bir anlayışa sahip olmalıdır.
Bu yöntemin ana avantajı kurulumu kolaydır ve hızlı görüntü analizi kolayca yüzlerce görüntü uygulanabilir. Bu teknik, araştırmacıların hızlı hareket eden mikrokabarcıkları görüntülemek için yüksek hızlı görüntüleme kullanmalarına yardımcı olur ve çeşitli kabarcık görüntüleme uygulamaları için kolayca uyarlanabilir.
Genel Bakış
Bu makale, yüksek hızlı fotoğrafçılık kullanarak kavitasyon mikrokabarcıklarını görüntülemek için bir yöntem sunar. Kurulum ve görüntü analiz teknikleri ele alınır ve bu, kavitasyon alanlarının hesaplanmasına olanak tanır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Biyofizik
- Biyomedikal Mühendisliği
Arka Plan
- Kavitasiyon kabarcıkları, diş temizliği de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda önemlidir.
- Yüksek hızlı görüntüleme, kabarcık dinamiği gibi hızlı süreçleri yakalayır.
- Görüntü analizi, karşılaştırmalı çalışmalar için kavitasyon alanlarını kantitatif olarak belirleyebilir.
- Çalışma, pratik uygulamalar için kavitasyon anlayışını geliştirmeyi amaçlamaktadır.
Çalışmanın Amacı
- Kavitasiyon kabarcıkları için yüksek hızlı bir görüntüleme tekniğini göstermek.
- Kavitasiyon alanlarını kantitatif olarak belirlemek için bir görüntü analiz protokolü geliştirmek.
- Farklı ultrasonik scaler uçları arasında karşılaştırmaları kolaylaştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Kurulum, yüksek hızlı bir kamera, ışık kaynağı ve ultrasonik scaler içerir.
- Görüntü analizi ve alan hesaplaması için ImageJ yazılımı kullanılır.
- Kavitasiyon dinamiğini yakalamak için yüksek hızlı videolar kaydedilir.
- Deneysel koşullar tekrarlanabilirlik için standartlaştırılır.
Ana Sonuçlar
- Kavitasiyon kabarcıklarının ortalama alanı farklı uçlar arasında hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır.
- Yüksek hızlı görüntüleme, kabarcık kalıplarını ve dinamiğini etkili bir şekilde yakalamıştır.
- Yöntem, diş temizliğinin ötesinde çeşitli uygulamalar için uyarlanabilir.
- Sonuçlar, sonlu eleman modelleme simülasyonları ile doğrulanabilir.
Sonuçlar
- Çalışma, kavitasyonun yüksek hızlı görüntüleme için basit bir yöntem sunar.
- Hızlı görüntü analizi, kapsamlı çalışmalar için çok sayıda görüntüye uygulanabilir.
- Bu teknik, hızlı hareket eden mikrokabarcıkları görüntüleme konusundaki araştırma yeteneklerini geliştirir.
Sıkça Sorulan Sorular
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.
