कैविटेशन माइक्रोबबल्स को ज़ूम लेंस से जुड़े हाई-स्पीड कैमरे का उपयोग करके इमेज किया जाता है। प्रायोगिक सेटअप को समझाया गया है, और छवि विश्लेषण का उपयोग कैविटेशन के क्षेत्र की गणना करने के लिए किया जाता है। इमेजेज का उपयोग करके इमेज एनालिसिस किया जाता है।
एक प्रयोगात्मक और छवि विश्लेषण तकनीक इमेजिंग कैविटेशन बुलबुले और उनके क्षेत्र की गणना के लिए प्रस्तुत किया जाता है। यहां प्रस्तुत उच्च गति इमेजिंग प्रयोगात्मक तकनीक और छवि विश्लेषण प्रोटोकॉल को अनुसंधान के अन्य क्षेत्रों में इमेजिंग सूक्ष्म बुलबुले के लिए भी लागू किया जा सकता है; इसलिए, इसमें आवेदनों की एक विस्तृत श्रृंखला है। हम इसे दंत अल्ट्रासोनिक स्केलर्स के आसपास छवि कैविटेशन पर लागू करते हैं। यह चित्र गुहा के लिए महत्वपूर्ण है यह विशेषता है और समझने के लिए कि यह कैसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए शोषण किया जा सकता है। दंत अल्ट्रासोनिक स्केलर्स के आसपास होने वाले कैविटेशन का उपयोग दंत पट्टिका हटाने की एक उपन्यास विधि के रूप में किया जा सकता है, जो अधिक प्रभावी होगा और वर्तमान पीरियोडोन्टल थेरेपी तकनीकों की तुलना में कम नुकसान का कारण बनता है। हम एक उच्च गति कैमरा और एक ज़ूम लेंस का उपयोग कर दंत अल्ट्रासोनिक स्केलर युक्तियों के आसपास होने वाली कैविटेशन बुलबुला बादलों इमेजिंग के लिए एक विधि पेश करते हैं । हम मशीन लर्निंग इमेज एनालिसिस का उपयोग करके कैविटेशन के क्षेत्र की गणना भी करते हैं। ओपन सोर्स सॉफ्टवेयर का उपयोग छवि विश्लेषण के लिए किया जाता है। प्रस्तुत छवि विश्लेषण को दोहराने के लिए आसान है, प्रोग्रामिंग अनुभव की आवश्यकता नहीं है, और उपयोगकर्ता के आवेदन के अनुरूप आसानी से संशोधित किया जा सकता है।
बुलबुले की गति इमेजिंग विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक प्रणाली के हाइड्रोडायनामिक्स को नियंत्रित करता है। ऐसे कई अनुप्रयोग हैं जहां यह उपयोगी हो सकता है: तरल बिस्तर रिएक्टरों में1,,2,या कैविटेशन बुलबुले के साथ सफाई के लिए3,,4। इमेजिंग बुलबुले का उद्देश्य बुलबुले की गतिशीलता के बारे में या बुलबुले के बादल की दिशा और गति के बारे में अधिक समझना है। यह छवि संरचनाओं को देखने के माध्यम से और मात्रात्मक जानकारी प्राप्त करने के लिए छवि विश्लेषण का उपयोग करके भी किया जा सकता है, जैसे बुलबुले का आकार।
कैविटेशन बुलबुले गैस या वाष्प संस्थाएं होती हैं जो संतृप्त दबाव मूल्य5से नीचे गिरने पर तरल पदार्थ में होती हैं । वे तब हो सकते हैं जब अल्ट्रासोनिक आवृत्तियों पर तरल पदार्थ पर ध्वनिक क्षेत्र लागू किया जाता है। वे बार-बार बढ़ते हैं और गिरते हैं, और पतन पर उच्च गति वाले सूक्ष्म जेट और आश्चर्य6,,7के रूप में ऊर्जा जारी कर सकते हैं। ये कतरनी बलों के माध्यम से सतह पर कणों को उखाड़ फेंक सकते हैं और सतह की सफाई का कारण बन सकते हैं8. विभिन्न उद्योगों में सतह की सफाई के लिए कैविटेशन बुलबुले की जांच की जा रही है, जैसे अर्धचालक, भोजन और घाव की सफाई9,10,,,11,,12के लिए। इनका उपयोग दांतों और बायोमैटेरियल्स जैसे दंत प्रत्यारोपण12,13से दंत पट्टिका को साफ करने के लिए भी किया जा सकता है । वर्तमान में इस्तेमाल किए जाने वाले दंत उपकरणों जैसे अल्ट्रासोनिक स्केलर्स और एंडोडोन्टिक फाइल्स के आसपास कैविटेशन होता है और इन उपकरणों के साथ एक अतिरिक्त सफाई प्रक्रिया के रूप में क्षमता दिखाता है14.
कैविटेशन बुलबुले का दोलन कुछ माइक्रोसेकंड पर होता है और इसलिए प्रति सेकंड8हजारों फ्रेम पर इमेजिंग करके उनकी गति को कैप्चर करने के लिए एक उच्च गति वाले कैमरे की आवश्यकता होती है। हम दंत अल्ट्रासोनिक स्केलर्स के आसपास माइक्रोबबल कैविटेशन इमेजिंग की एक विधि प्रदर्शित करते हैं। इसका उद्देश्य यह समझना है कि विभिन्न अल्ट्रासोनिक स्केलर्स के आसपास कैविटेशन कैसे भिन्न होता है, इसलिए इसे दंत पट्टिका को साफ करने के लिए एक उपन्यास तरीके के रूप में अनुकूलित किया जा सकता है।
कैविटेशन की जांच करने के लिए उपयोग किए जाने वाले पिछले तरीकों में सोनोकेमिनेंस शामिल है, जो यह पता लगाने के लिए ल्यूमिनॉल का उपयोग करता है कि कैविटेशन15,,16कहां हुआ है। हालांकि, यह एक अप्रत्यक्ष तकनीक है और यह वास्तविक समय में कैविटेशन बुलबुले की कल्पना करने में सक्षम नहीं है। इसलिए, यह सही ढंग से निर्धारित करने में सक्षम नहीं है कि यह उपकरण पर कहां होता है, और बुलबुले की गतिशीलता पर कोई जानकारी प्राप्त नहीं की जा सकती है, जब तक कि इसे अन्य इमेजिंग तकनीकों17के साथ संयुक्त न किया जाए। हाई-स्पीड इमेजिंग न केवल कैविटेशन बुलबुले को बढ़ते और टूट सकते हैं बल्कि होने वाले कैविटेशन के प्रकार को भी इमेज कर सकते हैं: कैविटेशन क्लाउड्स, माइक्रोस्ट्रीमर और माइक्रो-जेट6,,7,,18। ये इस बारे में अधिक जानकारी देते हैं कि कैविटेशन सतहों को कैसे साफ कर सकता है।
हम एक उच्च गति कैमरे का उपयोग कर कैविटेशन माइक्रोबबल इमेजिंग की एक विधि प्रस्तुत करते हैं और होने वाले कैविटेशन के मतलब क्षेत्र की गणना करते हैं। इस विधि को विभिन्न दंत अल्ट्रासोनिक स्केलर युक्तियों के आसपास होने वाले कैविटेशन के उदाहरण का उपयोग करके प्रदर्शित किया जाता है, हालांकि प्रयोगात्मक और छवि विश्लेषण चरणों का उपयोग अन्य अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है, जैसे कि अन्य मैक्रो और माइक्रोबबल्स इमेजिंग के लिए।
इस पेपर में वर्णित तकनीक उच्च स्थानिक और लौकिक संकल्प के साथ तेजी से चलती माइक्रोबबल्स की इमेजिंग को सक्षम बनाती है। यह संभावित रूप से रासायनिक इंजीनियरिंग, दंत चिकित्सा और चिकित्सा जैसे वैज्ञानिक विषयों की एक विस्तृत श्रृंखला को लाभ पहुंचा सकता है। इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में सतहों की सफाई के लिए इमेजिंग कैविटेशन बुलबुले, या तरल बिस्तर रिएक्टरों में इमेजिंग बुलबुले शामिल हैं। बायोमेडिकल अनुप्रयोगों में कैविटेशन बुलबुले का उपयोग करके चिकित्सा और दंत उपकरणों के आसपास इमेजिंग कैविटेशन और हार्ड और सॉफ्ट टिश्यू से इमेजिंग बायोफिल्म डिब्राइडेशन शामिल है। इस अध्ययन में हमने दो अलग-अलग दंत अल्ट्रासोनिक स्केलर सुझावों के आसपास कैविटेशन इमेजिंग द्वारा तकनीक का प्रदर्शन किया। कैविटेशन की मात्रा इस अध्ययन में परीक्षण किए गए दो सुझावों के बीच भिन्न होती है, जिसमें टिप 10P के मुक्त अंत के आसपास अधिक कैविटेशन बादल देखे जाते हैं। इसे पहले कंपन आयाम20से जोड़ा गया है । हाई-स्पीड वीडियो बताते हैं कि एफएसआई 1000 टिप में कम कंपन होता है, जिससे होने की संभावना होती है कि इस टिप के आसपास कम कैविटेशन क्यों है।
छवि विश्लेषण विधि की एक सीमा यह है कि स्केलर के क्षेत्र को हटाने के लिए छवि घटाव तकनीक पूरी तरह से सटीक नहीं है क्योंकि स्केलर दोलन है और इसलिए घटाव स्केलर के कुछ क्षेत्रों को बुलबुले के रूप में झूठा खंडित छोड़ सकता है। हालांकि, यह फ्रेम की एक बड़ी संख्या (n= 2000) से क्षेत्र औसत द्वारा के लिए हिसाब किया गया है। यह उन अनुप्रयोगों के लिए समस्या नहीं होगी जहां घटाया जाने वाला ऑब्जेक्ट स्थिर है। अध्ययनों के लिए जहां चलती वस्तु को घटाया जाना है, में बहुत अधिक भिन्नता है, हम सटीक परिणामों के लिए घटाने से पहले दोनों वीडियो में आंदोलनों को सिंक्रोनाइज़ करने की सलाह देते हैं। वर्तमान अध्ययन में, हमने दोलनों को सिंक्रोनाइज नहीं किया लेकिन चूंकि कंपन कम था, इसलिए हम मान सकते हैं कि दोलन इन दो मापों में एक दूसरे के अनुरूप हैं।
छवि थ्रेसिंग सटीक है क्योंकि ब्राइटफील्ड रोशनी अच्छे विपरीत के साथ एक समान पृष्ठभूमि प्रदान करती है। यह सुनिश्चित करना महत्वपूर्ण है कि पृष्ठभूमि एक समान है और इसमें कोई अन्य वस्तुएं शामिल नहीं हैं जिन्हें झूठा खंडित किया जा सकता है। थ्रेसहोल्ड विधि को एप्लिकेशन के अनुरूप अन्य स्वचालित थ्रेसहोल्ड का उपयोग करके संशोधित किया जा सकता है। मैन्युअल थ्रेसहोल्डिंग, जहां उपयोगकर्ता सीमा मूल्य सेट करता है, यह भी संभव है, लेकिन इसकी सिफारिश नहीं की जाती है क्योंकि यह परिणामों की पुन: उत्पन्न क्षमता को कम करता है, क्योंकि विभिन्न उपयोगकर्ता विभिन्न सीमा मानों का चयन करेंगे।
छवि विश्लेषण कई अन्य बुलबुला इमेजिंग अध्ययन के लिए इस्तेमाल किया गया है। ये बुलबुले और पृष्ठभूमि के बीच इष्टतम विपरीत होने के लिए बैकलाइटिंग की एक समान विधि का भी उपयोग करते हैं, और बुलबुले21 , 22,,23,,,24को खंडित करने के लिए दहलीज ।24 वर्तमान अध्ययन में दिखाई गई विधि को कई अलग-अलग बबल इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए उपयोग करने के लिए भी सामान्यीकृत किया जा सकता है, जो केवल उच्च गति इमेजिंग तक सीमित नहीं हैं। पानी में उत्पन्न कैविटेशन बुलबुले के लिए हाई-स्पीड इमेजिंग का उपयोग किया गया है और एंडोडोन्टिक फाइल्स और अल्ट्रासोनिक स्केलर्स 12 ,,25, 26,,27,,,28जैसे उपकरणोंकेआसपास भी।28 उदाहरण के लिए रिवास एट अल और मैसेडो एट अल का उपयोग माइक्रोस्कोप से जुड़े एक उच्च-गति कैमरे का उपयोग किया जाता है, जिसमें एक ठंडे प्रकाश स्रोत द्वारा कैविटेशन के साथ सफाई करने के लिए प्रदान की गई रोशनी के साथ, और एक एंडोडोंटिक फ़ाइल17,,29के आसपास कैविटेशन की छवि के लिए। उज्ज्वल क्षेत्र रोशनी पृष्ठभूमि और बुलबुले के बीच अधिक विपरीत प्रदान करती है, जिससे सरल विभाजन तकनीकों जैसे थ्रेसहोल्डिंग का उपयोग करना संभव हो जाता है, जैसा कि रिवास एट अल द्वारा प्रदर्शित किया गया है। इमेजिंग और समय29के साथ कैविटेशन कटाव और सफाई की मात्रा के लिए। 4,30ग्रे तराजू में अधिक भिन्नता के कारण डार्क फील्ड रोशनी से दहलीज अधिक कठिन होजातीहै । अन्य अध्ययनों में बुलबुले के बारे में अधिक जानकारी जुटाने के लिए छवि विश्लेषण का उपयोग किया गया है1,2. व्यास एट अल एक अल्ट्रासोनिक स्केलर20के आसपास कैविटेशन बुलबुले खंड के लिए एक मशीन लर्निंग दृष्टिकोण का इस्तेमाल किया । वर्तमान कागज में वर्णित विधि जल्दी है क्योंकि यह सरल थ्रेसिंग का उपयोग करता है इसलिए यह कम गणनाात्मक रूप से गहन है, और स्केलर के ऊपर और नीचे होने वाले बुलबुले का विश्लेषण किया जा सकता है। हालांकि, वर्तमान कागज में उपयोग की जाने वाली थ्रेसिंग विधि केवल तभी सटीक है जब पृष्ठभूमि एक समान हो। यदि इमेजिंग के दौरान एक समान पृष्ठभूमि प्राप्त करना संभव नहीं है, तो अन्य छवि प्रसंस्करण तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है जैसे कि असमान रोशनी के लिए सही करने के लिए रोलिंग बॉल त्रिज्या का उपयोग करके पृष्ठभूमि घटाव का उपयोग, शोर को हटाने के लिए औसत या गॉसियन फिल्टर का उपयोग करके फ़िल्टर करना, या मशीन लर्निंग आधारित तकनीकों का उपयोग करना20,,31।
अंत में, हम छवि के लिए एक उच्च गति इमेजिंग और विश्लेषण प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं और एक सूक्ष्म चलती वस्तु के क्षेत्र की गणना करते हैं। हमने अल्ट्रासोनिक स्केलर के चारों ओर कैविटेशन बुलबुले इमेजिंग द्वारा इस विधि का प्रदर्शन किया है। इसका उपयोग एंडोडोन्टिक फ़ाइलों जैसे अन्य दंत उपकरणों के आसपास इमेजिंग कैविटेशन के लिए किया जा सकता है और इसे अन्य गैर-दंत बुलबुला इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है।
The authors have nothing to disclose.
लेखक इंजीनियरिंग और भौतिक विज्ञान अनुसंधान परिषद EP/P015743/1 से धन के लिए आभारी हैं ।
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 |
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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 |