Kavitation mikrobobler er afbildet ved hjælp af en high-speed kamera knyttet til et zoomobjektiv. Den eksperimentelle opsætning forklares, og billedanalyse bruges til at beregne kavitationsområdet. Billedanalyse udføres ved hjælp af ImageJ.
En eksperimentel og billedanalyse teknik præsenteres for billeddiagnostiske kavitation bobler og beregning af deres område. Den højhastigheds-imaging eksperimentel teknik og billede analyse protokol præsenteret her kan også anvendes til billeddannelse mikroskopiske bobler i andre områder af forskning; derfor har det en bred vifte af applikationer. Vi anvender dette til billedkavitation omkring tand ultralydsskaller. Det er vigtigt at billedet kavitation at karakterisere det og til at forstå, hvordan det kan udnyttes til forskellige applikationer. Kavitation forekommer omkring dental ultralyd scalers kan bruges som en ny metode til fjernelse af plak, hvilket ville være mere effektiv og forårsage mindre skade end de nuværende parodontale terapi teknikker. Vi præsenterer en metode til billeddannelse kavitation boble skyer forekommer omkring dental ultralyd scaler tips ved hjælp af en high-speed kamera og et zoomobjektiv. Vi beregner også området kavitation ved hjælp af machine learning billedanalyse. Open source-software bruges til billedanalyse. Billedet analyse præsenteret er let at replikere, kræver ikke programmering erfaring, og kan ændres let, så de passer til anvendelsen af brugeren.
Imaging bevægelsen af bobler er vigtigt for forskellige applikationer, fordi det styrer hydrodynamik af et system. Der er mange anvendelser, hvor dette kan være nyttigt: i fluidiserede sengreaktorer 1,2,eller til rengøring med kavitation bobler3,4. Formålet med billeddannelse bobler er at forstå mere om boble dynamik eller om retningen og bevægelsen af en sky af bobler. Dette kan gøres ved at observere strukturer afbildet og også ved hjælp af billedanalyse for at opnå kvantitative oplysninger, såsom størrelsen af boblerne.
Kavitationsbobler er gas- eller dampenheder, der opstår i en væske, når trykket falder til under den mættede trykværdi5. De kan forekomme, når et akustisk felt påføres en væske ved ultralydsfrekvenser. De gentagne gange vokse og kollapse, og ved sammenbrud kan frigive energi i form af højhastigheds-mikro-jetfly og chokbølger6,7. Disse kan løsne partikler på en overflade gennem forskydningskræfter og forårsage overfladerensning8. Kavitationsbobler undersøges for overfladerensning i forskellige brancher, såsom for halvledere, fødevarer og sårrensning9,10,,11,12. De kan også bruges til at rense plak fra tænder og biomaterialer såsom tandimplantater12,,13. Kavitation sker omkring i øjeblikket anvendes dental instrumenter såsom ultralyd scalers og endodontiske filer og viser potentiale som en ekstra rengøringsproces med disse instrumenter14.
Svingningen af kavitationsbobler forekommer over et par mikrosekunder, og derfor er et højhastighedskamera forpligtet til at fange deres bevægelse ved billeddannelse med tusindvis af billeder pr.sekund 8. Vi demonstrerer en metode til billeddannelse mikrobubble kavitation omkring dental ultralyd scalers. Målet er at forstå, hvordan kavitation varierer omkring forskellige ultralydsskaller, så det kan optimeres som en ny måde at rengøre plak.
Tidligere metoder, der anvendes til at undersøge kavitationen omfatter sonochemiluminesens, som bruger luminol til at opdage, hvor kavitation harfundet sted 15,16. Men dette er en indirekte teknik, og det er ikke i stand til at visualisere kavitation bobler i realtid. Derfor er det ikke i stand til præcist at bestemme præcis, hvor det sker på instrumentet, og ingen oplysninger kan opnås på boblen dynamik, medmindre det er kombineret med andre billeddannelse teknikker17. High-speed imaging kan billedet ikke kun kavitation bobler vokser og kollapser, men også den type kavitation forekommende: kavitation skyer, mikrostrømperogmikro-jets6,7,18. Disse giver flere oplysninger om, hvordan kavitationen kan rense overflader.
Vi præsenterer en metode til billeddannelse kavitation mikrobobler ved hjælp af en high-speed kamera og beregning af det gennemsnitlige område af kavitation forekommende. Denne metode er demonstreret ved hjælp af et eksempel på kavitation forekommer omkring forskellige dental ultralyd scaler tips, selv om de eksperimentelle og billedanalyse trin kan bruges til andre applikationer, såsom til billeddannelse andre makro og mikrobobler.
Den teknik, der er beskrevet i dette papir, muliggør billeddannelse af hurtige mikrobobler med høj rumlig og tidsmæssig opløsning. Det kan potentielt gavne en bred vifte af videnskabelige discipliner såsom kemiteknik, tandpleje og medicin. Tekniske anvendelser omfatter billeddannelse kavitation bobler til rengøring overflader, eller for billeddannelse bobler i fluidiserede seng reaktorer. Biomedicinske anvendelser omfatter billeddannelse kavitation omkring medicinske og dental instrumenter og billeddiagnostiske biofilm debridement fra hårdt og blødt væv ved hjælp af kavitation bobler. I denne undersøgelse demonstrerede vi teknikken ved billeddannelse kavitation omkring to forskellige dental ultralyd scaler tips. Mængden af kavitation varierer mellem de to tips testet i denne undersøgelse, med flere kavitation skyer observeret omkring den frie ende af spidsen 10P. Dette har tidligere været forbundet med vibrationsforlydne20. Højhastighedsvideoerne viser, at FSI 1000 spidsen har mindre vibration, hvilket sandsynligvis er grunden til, at der er mindre kavitation omkring denne spids.
En begrænsning af billedanalysemetoden er, at billedet subtraktion teknik til at fjerne det område af skalaen er ikke helt nøjagtig, fordi skalaen er oscillerende og derfor subtraktion kan efterlade nogle områder af skalaen fejlagtigt segmenteret som bobler. Dette er imidlertid blevet taget i betragtning ved at beregne gennemsnittet af arealet fra et stort antal rammer (n=2000). Dette ville ikke være et problem for applikationer, hvor objektet, der skal trækkes, er stationært. For undersøgelser, hvor det bevægelige objekt, der skal trækkes fra, har en meget højere varians, anbefaler vi, at bevægelserne i begge videoer synkroniseres, før du trækker fra, så der vises nøjagtige resultater. I den aktuelle undersøgelse synkroniserede vi ikke svingningerne, men da vibrationerne var lave, kan vi antage, at svingningerne svarer godt til hinanden i disse to målinger.
Billedtærsklen er nøjagtig, fordi belysningen af det lyse felt giver en ensartet baggrund med god kontrast. Det er afgørende at sikre, at baggrunden er ensartet og ikke indeholder andre objekter, der kan være falsk segmenteret. Tærskelmetoden kan ændres ved hjælp af andre automatiske tærskler, der passer til applikationen. Manuel tærskelværdi, hvor brugeren angiver tærskelværdien, er også mulig, men anbefales ikke, da det reducerer resultaternes reproducerbarhed, da forskellige brugere vælger forskellige tærskelværdier.
Billedanalyse er blevet brugt til mange andre boblebilleddannelsesundersøgelser. Disse bruger også en lignende metode til baggrundsbelysning for at få optimal kontrast mellem boblerne og baggrunden, og tærskel for at segmentere boblerne21,22,23,24. Den metode, der er vist i den aktuelle undersøgelse, kan også generaliseres til at blive brugt til mange forskellige boblebilledapplikationer, som ikke er begrænset til kun højhastighedsbilleddannelse. High-speed imaging er blevet brugt til kavitation bobler genereret i vand og også omkring instrumenter såsom endodontiske filer og ultralydsskaller12,25,,26,27,28. For eksempel Rivas et al. og Macedo et al. brugt en high-speed kamera fastgjort til et mikroskop, med belysning fra en kold lyskilde til billedrensning med kavitation, og til billedet kavitation omkring en endodontisk fil17,29. Lys feltbelysning giver større kontrast mellem baggrunden og boblerne, hvilket gør det muligt at anvende enkle segmenteringsteknikker såsom tærskelbehandling, som det fremgår af Rivas et al. til billeddannelse og kvantificering af kavitation erosion og rengøring over tid29. Belysning af mørkt felt gør det vanskeligere at gå ned på grund af den højere variation igråskala 4,30. Billedanalyse er blevet brugt i andre undersøgelser til at indsamle flere oplysninger ombobler 1,2. Vyas et al. brugte en maskinel indlæringstilgang til segmentkavitationsbobler omkring en ultralydsvægter20. Den metode, der er beskrevet i det aktuelle papir, er hurtigere, fordi den bruger simpel tærskel, så den er mindre beregningsintensiv, og bobler, der forekommer over og under skaleren, kan analyseres. Den tærskelmetode, der anvendes i det aktuelle papir, er dog kun nøjagtig, hvis baggrunden er ensartet. Hvis det ikke er muligt at opnå en ensartet baggrund under billedbehandling, kan andre billedbehandlingsteknikker anvendes, såsom brug af baggrundsindtraktion ved hjælp af en rullende kugleradius til at korrigere for ujævn belysning, filtrering ved hjælp af median- eller gaussiske filtre for at fjerne støj eller også ved hjælp af maskinindlæringsbaseredeteknikker 20,31.
Afslutningsvis præsenterer vi en højhastighedsbilleddannelses- og analyseprotokol for at afbilde og beregne arealet af et mikroskopisk bevægeligt objekt. Vi har demonstreret denne metode ved billeddannelse kavitation bobler omkring en ultralyd scaler. Det kan bruges til billeddannelse kavitation omkring andre dental instrumenter såsom endodontiske filer, og det kan nemt tilpasses til andre ikke-dental boble imaging applikationer.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne er taknemmelige for finansiering fra Engineering and Physical Sciences Research Council EP/P015743/1.
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 |