التصوير والتدين الكمي لمنطقة الزبلات الدقيقة سريعة الحركة باستخدام كاميرا عالية السرعة وتحليل الصور
Summary
يتم تصوير microbubbles التجويف باستخدام كاميرا عالية السرعة تعلق على عدسة التكبير. يتم شرح الإعداد التجريبي ، ويتم استخدام تحليل الصور لحساب مساحة التجويف. يتم تحليل الصور باستخدام ImageJ.
Abstract
يتم تقديم تقنية تجريبية وتحليل الصور لفقاعات التجويف التصوير وحساب مساحتها. ويمكن أيضا تطبيق تقنية التصوير التجريبية العالية السرعة وبروتوكول تحليل الصور الواردين هنا على التصوير المجهري للفقاعات في مجالات بحثية أخرى؛ لذلك، يحتوي على مجموعة واسعة من التطبيقات. نحن تطبيق هذا على التجويف الصورة حول مقياس الأسنان بالموجات فوق الصوتية. من المهم أن التجويف الصورة لتوصيفها وفهم كيف يمكن استغلالها لتطبيقات مختلفة. التجويف التي تحدث حول مقياس الأسنان بالموجات فوق الصوتية يمكن استخدامها كوسيلة جديدة لإزالة البلاك الأسنان، والتي من شأنها أن تكون أكثر فعالية وتسبب ضررا أقل من تقنيات العلاج اللثة الحالية. نقدم طريقة لتصوير التجويف فقاعة الغيوم التي تحدث حول الأسنان بالموجات فوق الصوتية النصائح scaler باستخدام كاميرا عالية السرعة وعدسة التكبير. نحن أيضا حساب منطقة التجويف باستخدام آلة التعلم تحليل الصور. يتم استخدام برمجيات المصدر المفتوح لتحليل الصور. تحليل الصورة المعروضة من السهل تكرار، لا يتطلب تجربة البرمجة، ويمكن تعديلها بسهولة لتتناسب مع تطبيق المستخدم.
Introduction
التصوير حركة فقاعات مهم للتطبيقات المختلفة لأنه يتحكم في الديناميكا المائية للنظام. هناك العديد من التطبيقات حيث يمكن أن يكون هذا مفيدا: في مفاعلات سرير مائع1,2, أو لتنظيف مع فقاعات التجويف3,4. الغرض من فقاعات التصوير هو فهم المزيد عن ديناميكيات الفقاعة أو حول اتجاه حركة سحابة من الفقاعات. ويمكن القيام بذلك من خلال مراقبة هياكل الصورة وأيضا باستخدام تحليل الصور للحصول على معلومات كمية، مثل حجم الفقاعات.
فقاعات التجويف هي وحدات الغاز أو البخار التي تحدث في السوائل عندما ينخفض الضغط تحت قيمة الضغطالمشبعة 5. يمكن أن تحدث عندما يتم تطبيق حقل الصوتية إلى السوائل في الترددات بالموجات فوق الصوتية. أنها تنمو بشكل متكرر وانهيار، وعند انهيار يمكن الافراج عن الطاقة في شكل عالية السرعة الطائرات الصغيرة والصدمات6،7. هذه يمكن أن تهيّب الجسيمات على سطح من خلال قوى القص وتسبب تنظيف السطح8. ويجري التحقيق في فقاعات التجويف لتنظيف السطح في الصناعات المختلفة، مثل لأشباه الموصلات، والغذاء، وتنظيف الجروح9،10،11،12. كما يمكن استخدامها لتنظيف البلاك الأسنان من الأسنان والمواد الحيوية مثل زراعة الأسنان12,13. يحدث التجويف حول أدوات الأسنان المستخدمة حاليا مثل المقياس بالموجات فوق الصوتية والملفات اللبية ويظهر المحتملة كعملية تنظيف إضافية مع هذه الصكوك14.
يحدث تذبذب فقاعات التجويف على مدى بضع ميكرو ثانية وبالتالي مطلوب كاميرا عالية السرعة لالتقاط حركتها عن طريق التصوير في الآلاف من الإطارات في الثانية8. نحن نبرهن على طريقة تصوير التجويف microbubble حول مقياس الأسنان بالموجات فوق الصوتية. والهدف من ذلك هو فهم كيف يختلف التجويف حول مقياس الموجات فوق الصوتية المختلفة، لذلك يمكن تحسينه كطريقة جديدة لتنظيف البلاك الأسنان.
وتشمل الطرق السابقة المستخدمة للتحقيق في التجويف سونوشيمينسينس، الذي يستخدم لومينول للكشف عن حيث حدث التجويف15،16. ومع ذلك، هذا هو تقنية غير مباشرة وأنها ليست قادرة على تصور فقاعات التجويف في الوقت الحقيقي. ولذلك، فإنه ليس قادرا على تحديد بدقة بالضبط حيث يحدث على الصك، ويمكن الحصول على أي معلومات عن ديناميات فقاعة، إلا إذا كان جنبا إلى جنب مع تقنيات التصوير الأخرى17. يمكن التصوير عالية السرعة صورة ليس فقط فقاعات التجويف المتنامية والانهيار ولكن أيضا نوع من التجويف يحدث: غيوم التجويف، microstreamers والطائرات الصغيرة6،7،18. هذه تعطي المزيد من المعلومات حول كيفية التجويف يمكن تنظيف الأسطح.
نقدم طريقة التصوير التجويف microbubbles باستخدام كاميرا عالية السرعة وحساب المنطقة المتوسطة من التجويف التي تحدث. هو موضح هذه الطريقة باستخدام مثال على التجويف التي تحدث حول مختلف الأسنان بالموجات فوق الصوتية النصائح scaler، على الرغم من أن خطوات التحليل التجريبي والصورة يمكن استخدامها لتطبيقات أخرى، مثل لتصوير الماكرو الأخرى وmicrobubbles.
Protocol
Representative Results
Discussion
التقنية الموصوفة في هذه الورقة تمكن التصوير من microbubbles سريعة الحركة مع ارتفاع دقة المكانية والزمانية. ومن المحتمل أن تستفيد مجموعة واسعة من التخصصات العلمية مثل الهندسة الكيميائية وطب الأسنان والطب. وتشمل التطبيقات الهندسية فقاعات التجويف للتصوير لتنظيف الأسطح، أو لفقاعات التصوير في مفاعلات الأسرّة الممائعة. وتشمل التطبيقات الطبية الحيوية التصوير التجويف حول الأدوات الطبية والأسنان والتصوير biofilm شظايا من الأنسجة الصلبة واللينة باستخدام فقاعات التجويف. في هذه الدراسة أظهرنا هذه التقنية عن طريق التصوير التجويف حول اثنين من نصائح مختلفة بالموجات فوق الصوتية الأسنان scaler. كمية التجويف تختلف بين النصائح اثنين اختبارها في هذه الدراسة، مع المزيد من الغيوم التجويف لوحظ حول نهاية حرة من طرف 10P. وقد تم ربط هذا سابقا إلى سعة الاهتزاز20. تظهر مقاطع الفيديو عالية السرعة أن طرف FSI 1000 يحتوي على اهتزاز أقل ، والذي من المرجح أن يكون السبب في وجود تجويف أقل حول هذه النصيحة.
أحد القيود على طريقة تحليل الصورة هو أن تقنية طرح الصورة لإزالة مساحة المقياس ليست دقيقة تمامًا لأن المقياس يتذبذب وبالتالي قد يترك الطرح بعض المناطق من المقياس المجزأة بشكل زائف كفقاعات. ومع ذلك، تم حساب هذا عن طريق متوسط المساحة من عدد كبير من الإطارات (n = 2000). لن يكون هذا مشكلة للتطبيقات حيث الكائن إلى طرح ثابتة. بالنسبة للدراسات التي يكون فيها للجسم المتحرك الذي سيتم طرحه تباين أعلى بكثير، نوصي بمزامنة الحركات في كلا الفيديوين قبل طرحها للحصول على نتائج دقيقة. في الدراسة الحالية، لم نزامن التذبذبات ولكن بما أن الاهتزاز كان منخفضًا، يمكننا أن نفترض أن التذبذبات تتوافق جيدًا مع بعضها البعض في هذين القياسين.
إن عتبة الصورة دقيقة لأن الإضاءة في الملعب المشرق توفر خلفية موحدة مع تباين جيد. ومن الأهمية بمكان ضمان أن تكون الخلفية موحدة ولا تحتوي على أي أشياء أخرى يمكن تقسيمها زورا. يمكن تعديل أسلوب العتبة باستخدام عتبات تلقائية أخرى لتتناسب مع التطبيق. إن تحديد العتبة اليدوية، حيث يقوم المستخدم بتعيين قيمة العتبة، ممكن أيضاً ولكنه غير مستحسن لأنه يقلل من إمكانية تكرار النتائج، حيث أن المستخدمين المختلفين سوف يحددون قيم العتبة المختلفة.
وقد استخدم تحليل الصور للعديد من دراسات التصوير الفقاعي الأخرى. هذه أيضا استخدام طريقة مماثلة من الإضاءة الخلفية للحصول على النقيض الأمثل بين فقاعات والخلفية، وعتبة لشريحةفقاعات 21،22،23،24. الطريقة الموضحة في الدراسة الحالية يمكن أيضا تعميمها لاستخدامها في العديد من تطبيقات التصوير الفقاعي المختلفة، والتي لا تقتصر على التصوير عالي السرعة فقط. وقد استخدمت التصوير عالية السرعة لفقاعات التجويف ولدت في الماء وأيضا حول أدوات مثل ملفات اللبية ومقاييس الموجات فوق الصوتية12،25،26،27،28. على سبيل المثال ريفاس وآخرون وماسيدو وآخرون استخدموا كاميرا عالية السرعة متصلة بالمجهر ، مع إضاءة يوفرها مصدر الضوء البارد لتنظيف الصور مع التجويف ، ولتجويف الصورة حول ملف اللبية17،29. توفر الإضاءة الميدانية الساطعة المزيد من التباين بين الخلفية والفقاعات ، مما يجعل من الممكن استخدام تقنيات تجزئة بسيطة مثل العتبة ، كما يتضح من ريفاس وآخرون للتصوير وقياس تآكل التجويف والتنظيف بمرور الوقت29. الإضاءة الميدانية المظلمة يجعل العتبة أكثر صعوبة بسبب الاختلاف العالي في المقاييس الرمادية4،30. وقد استخدم تحليل الصور في دراسات أخرى لجمع المزيد من المعلومات حولفقاعات 1،2. Vyas وآخرون تستخدم نهج التعلم الآلي لشريحة فقاعات التجويف حول مقياس بالموجات فوق الصوتية20. الطريقة الموصوفة في الورقة الحالية أسرع لأنها تستخدم عتبة بسيطة بحيث تكون أقل كثافة حسابيا، ويمكن تحليل الفقاعات التي تحدث فوق وتحت المقياس. غير أن طريقة تحديد العتبات المستخدمة في الورقة الحالية لا تكون دقيقة إلا إذا كانت الخلفية موحدة. إذا لم يكن من الممكن الحصول على خلفية موحدة أثناء التصوير ، يمكن استخدام تقنيات معالجة الصور الأخرى مثل استخدام طرح الخلفية باستخدام نصف قطر الكرة المتداول لتصحيح الإضاءة غير المستوية ، والتصفية باستخدام مرشحات الوسيط أو الغاوسي لإزالة الضوضاء ، أو أيضًا باستخدام تقنيات التعلم الآلي20،31.
في الختام، نقدم التصوير عالي السرعة وتحليل بروتوكول لصورة وحساب مساحة الجسم تتحرك المجهرية. لقد أثبتنا هذه الطريقة عن طريق تصوير فقاعات التجويف حول مقياس بالموجات فوق الصوتية. ويمكن استخدامه لتجويف التصوير حول أدوات الأسنان الأخرى مثل ملفات اللبية ويمكن تكييفها بسهولة لتطبيقات التصوير الأخرى غير الأسنان فقاعة.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويعرب المؤلفون عن امتنانهم للتمويل الذي تم الحصول عليه من مجلس بحوث الهندسة والعلوم الفيزيائية EP/P015743/1.
Materials
| 0.25x attachment | Navitar | 1-50011 | |
| 12x with 12mm fine focus Long distance microscope zoom lens |
Navitar | 1-50486 | |
| 2x adaptor with f mount | Navitar | 1-62922 | |
| Cavitron Plus Ultrasonic Scaler | Dentsply Sirona | 8184003 | |
| Cavitron Ultrasonic Insert FSI 1000FSI 1000 | Dentsply Sirona | UCAFTHD | |
| Fibre light guide. 8mm fibre bundle 1500mm length. Focussing lens assembly for Hayashi light, 1/4"-20 tripod thread for mounting. |
Hayashi | LGC1- 8L1500 |
|
| Geared head | Manfrotto | MN405 | 7.5kg load capacity |
| HDF7010 High-Power LED Endoscope light source. 150W LED provides cold output equivalent to 250W Xenon. |
Hayashi | LA-HDF710 | |
| Heavy weight Tripod | Manfrotto | MN475B | Geared centre column, 12kg load capacity |
| High Speed Camera | Photron | 103526 | FASTCAM Mini AX200 900K M3 (16GB memory) |
| High-Precision Rotation Stage | Thorlabs | PR01/M | |
| Laboratory jacks | Camlab | 1194083 | |
| Micropositioning sliding plate | Manfrotto | SKU 454 | |
| Micropositioning stage 3D | Thorlabs | PT3/M | |
| Micropositioning stage rotation | Thorlabs | OCT-XYR1/M | OCT-XYR1/M – XY Stage with Solid Top Plate |
| NEWTRON P5 XS Ultrasonic Scaler | Acteon | F62118 | |
| Ultrasonic Insert 10P | Acteon | F00253 |
References
- Asegehegn, T. W., Schreiber, M., Krautz, H. J. Investigation of bubble behavior in fluidized beds with and without immersed horizontal tubes using a digital image analysis technique. Journal of Power Technologies. 210 (3), 248-260 (2011).
- Busciglio, A., Vella, G., Micale, G., Rizzuti, L. Analysis of the bubbling behaviour of 2D gas solid fluidized beds: Part I. Digital image analysis technique. Chemical Engineering Journal. 140 (1), 398-413 (2008).
- Versluis, M. High-speed imaging in fluids. Experiments in Fluids. 54 (2), 1-35 (2013).
- Matsumoto, H., Yoshimine, Y., Akamine, A. Visualization of irrigant flow and cavitation induced by Er: YAG laser within a root canal model. Journal of Endodontics. 37 (6), 839-843 (2011).
- Young, F. R. . Cavitation. , (1999).
- Brennen, C. E. . Cavitation and Bubble Dynamics. , (2013).
- Leighton, T. . The acoustic bubble. , (2012).
- Verhaagen, B., Rivas, D. F. Measuring cavitation and its cleaning effect. Ultrasonics Sonochemistry. 29, 619-628 (2016).
- Oulahal-Lagsir, N., Martial-Gros, A., Boistier, E., Blum, L., Bonneau, M. The development of an ultrasonic apparatus for the non-invasive and repeatable removal of fouling in food processing equipment. Letters in Applied Microbiology. 30 (1), 47-52 (2000).
- Gale, G. W., Busnaina, A. A. Roles of cavitation and acoustic streaming in megasonic cleaning. Particulate Science and Technology. 17 (3), 229-238 (1999).
- Erriu, M., et al. Microbial biofilm modulation by ultrasound: Current concepts and controversies. Ultrasonics Sonochemistry. 21, 15-22 (2014).
- Van der Sluis, L., Versluis, M., Wu, M., Wesselink, P. Passive ultrasonic irrigation of the root canal: a review of the literature. International Endodontic Journal. 40 (6), 415-426 (2007).
- Vyas, N., Sammons, R. L., Addison, O., Dehghani, H., Walmsley, A. D. A quantitative method to measure biofilm removal efficiency from complex biomaterial surfaces using SEM and image analysis. Scientific Reports. 6, 32694 (2016).
- Walmsley, A. D., Lea, S. C., Felver, B., King, D. C., Price, G. J. Mapping cavitation activity around dental ultrasonic tips. Clinical Oral Investigations. 17 (4), 1227-1234 (2013).
- Price, G. J., Tiong, T. J., King, D. C. Sonochemical characterisation of ultrasonic dental descalers. Ultrasonics Sonochemistry. 21, 2052-2060 (2014).
- Felver, B., King, D. C., Lea, S. C., Price, G. J., Damien Walmsley, A. Cavitation occurrence around ultrasonic dental scalers. Ultrasonics Sonochemistry. 16, 692-697 (2009).
- Macedo, R. G., et al. Sonochemical and high-speed optical characterization of cavitation generated by an ultrasonically oscillating dental file in root canal models. Ultrasonics Sonochemistry. 21, 324-335 (2014).
- Reuter, F., Lauterborn, S., Mettin, R., Lauterborn, W. Membrane cleaning with ultrasonically driven bubbles. Ultrasonics Sonochemistry. 37, 542-560 (2017).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Vyas, N., et al. High-speed Imaging of Cavitation around Dental Ultrasonic Scaler Tips. PLoS One. 11 (3), 0149804 (2016).
- Ahmed, F. S., Sensenich, B. A., Gheni, S. A., Znerdstrovic, D., Al Dahhan, M. H. Bubble dynamics in 2D bubble column: comparison between high-speed camera imaging analysis and 4-point optical probe. Chemical Engineering Communications. 202 (1), 85-95 (2015).
- Honkanen, M. Reconstruction of three-dimensional bubble surface from high-speed orthogonal imaging of dilute bubbly flow. Proceedings of Computational Methods in Multiphase Flow V, New Forest, UK. , 469-480 (2009).
- do Amaral, C. E., et al. Image processing techniques for high-speed videometry in horizontal two-phase slug flows. Flow Measurement and Instrumentation. 33, 257-264 (2013).
- Lau, Y., Deen, N., Kuipers, J. Development of an image measurement technique for size distribution in dense bubbly flows. Chemical Engineering Science. 94, 20-29 (2013).
- Matsumoto, Y., Yoshizawa, S. Behaviour of a bubble cluster in an ultrasound field. International Journal for Numerical Methods in Fluids. 47 (6-7), 591-601 (2005).
- Peeters, H. H., Iskandar, B., Suardita, K., Suharto, D. 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. Journal of Endodontics. 40 (6), 857-861 (2014).
- Halford, A., et al. Synergistic effect of microbubble emulsion and sonic or ultrasonic agitation on endodontic biofilm in vitro. Journal of Endodontics. 38 (11), 1530-1534 (2012).
- Kauer, M., Belova-Magri, V., Cairós, C., Linka, G., Mettin, R. High-speed imaging of ultrasound driven cavitation bubbles in blind and through holes. Ultrasonics Sonochemistry. 48, 39-50 (2018).
- Rivas, D. F., et al. Localized removal of layers of metal, polymer, or biomaterial by ultrasound cavitation bubbles. Biomicrofluidics. 6 (3), 034114 (2012).
- Pishchalnikov, Y. A., et al. Cavitation Bubble Cluster Activity in the Breakage of Kidney Stones by Lithotripter Shockwaves. Journal of Endourology. 17 (7), 435-446 (2003).
- Sternberg, S. R. Biomedical image processing. Computer. (1), 22-34 (1983).
