Kavitation mikrobubblor avbildas med hjälp av en höghastighetskamera fäst vid ett zoomobjektiv. Den experimentella inställningen förklaras, och bildanalys används för att beräkna området för kavitationen. Bildanalys görs med hjälp av ImageJ.
En experimentell och bild analys teknik presenteras för bildbehandling kavitation bubblor och beräkna deras område. Den snabba bildframställning experimentell teknik och bild analys protokoll som presenteras här kan också tillämpas för bildbehandling mikroskopiska bubblor i andra forskningsfält; därför har den ett brett spektrum av tillämpningar. Vi tillämpar detta på bild kavitation runt dentala ultraljud scalers. Det är viktigt att bildkavitation att karakterisera den och att förstå hur det kan utnyttjas för olika tillämpningar. Kavitation som förekommer runt tandläkare ultraljud scalers kan användas som en ny metod för tandläkare plack borttagning, som skulle vara effektivare och orsaka mindre skada än nuvarande parodontala terapi tekniker. Vi presenterar en metod för bildframställning kavitationen bubbla molnen förekommer runt tandläkare ultraljud scaler tips med hjälp av en höghastighetskamera och en zoomobjektiv. Vi beräknar också området för kavitation med hjälp av maskininlärningsbildanalys. Programvara med öppen källkod används för bildanalys. Den bildanalys som presenteras är lätt att replikera, kräver inte programmering erfarenhet, och kan ändras enkelt för att passa tillämpningen av användaren.
Imaging rörelsen av bubblor är viktigt för olika tillämpningar eftersom det styr hydrodynamiken i ett system. Det finns många tillämpningar där detta kan vara användbart: i fluidiseradesängreaktorer 1,2, eller för rengöring med kavitationsbubblor3,4. Syftet med bildbubblor är att förstå mer om bubblan dynamik eller om riktning och rörelse av ett moln av bubblor. Detta kan ske genom att observera strukturer avbildade och även genom att använda bildanalys för att få kvantitativ information, t.ex.
Kavitation bubblor är gas eller ånga enheter som uppstår i en vätska när trycket sjunker under mättat tryck värde5. De kan uppstå när ett akustiskt fält appliceras på en vätska vid ultraljudsfrekvenser. De växer upprepade gånger och kollapsar, och vid kollaps kan frigöra energi i form av höghastighetsmikrojets och chockvågor6,7. Dessa kan rubba partiklar på en yta genom skjuvkrafter och orsaka ytrengöring8. Kavitation bubblor undersöks för ytrengöring i olika branscher, såsom för halvledare, mat, och sår rengöring9,10,11,12. De skulle också kunna användas för att rengöra plack från tänder och biomaterial som tandimplantat12,13. Kavitation sker runt för närvarande används dental instrument såsom ultraljud scalers och endodontic filer och visar potential som en extra rengöringsprocess med dessa instrument14.
Den svängning av kavitation bubblor sker över några mikrosekond och därför en höghastighetskamera krävs för att fånga deras rörelse genom att avbilda på tusentals bilder per sekund8. Vi visar en metod för bildbehandling microbubble kavitation runt tandläkare ultraljud scalers. Syftet är att förstå hur kavitation varierar kring olika ultraljud scalers, så det kan optimeras som ett nytt sätt att rengöra plack.
Tidigare metoder som används för att undersöka kavitationen inkluderar sonochemiluminesence, som använder luminol för att upptäcka var kavitation harförekommit 15,16. Detta är dock en indirekt teknik och det är inte kunna visualisera kavitation bubblor i realtid. Därför är det inte kunna exakt bestämma exakt var det händer på instrumentet, och ingen information kan vinnas på bubblan dynamik, om det inte kombineras med andra bildframställning tekniker17. Höghastighetsavbildning kan bilden inte bara kavitation bubblorna växer och kollapsar men också vilken typ av kavitation som förekommer: kavitation moln, microstreamers och mikro-jets6,7,18. Dessa ger mer information om hur kavitationen kan rengöra ytor.
Vi presenterar en metod för bildbehandling cavitation mikrobubblor med hjälp av en höghastighetskamera och beräkna medelvärdet området kavitation som inträffar. Denna metod visas med hjälp av ett exempel på kavitation som förekommer runt olika tandläkare ultraljud scaler tips, även om de experimentella och bild analys steg kan användas för andra tillämpningar, såsom för bildframställning andra makro och mikrobubblor.
Den teknik som beskrivs i detta dokument möjliggör avbildning av snabbrörliga mikrobubblor med hög rumslig och tidsmässig upplösning. Det kan potentiellt gynna ett brett spektrum av vetenskapliga discipliner som kemiteknik, tandvård och medicin. Engineering applikationer inkluderar bildbehandling kavitation bubblor för rengöring ytor, eller för bildframställning bubblor i fluidiserad säng reaktorer. Biomedicinska tillämpningar inkluderar bildbehandling kavitation runt medicinska och tandläkarinstrument och bildbehandling biofilm debridement från hård och mjuk vävnad med hjälp av kavitation bubblor. I denna studie har vi visat tekniken genom bildbehandling kavitation runt två olika tandläkare ultraljud scaler tips. Mängden kavitation varierar mellan de två tips som testats i denna studie, med mer kavitation moln observerats runt den fria änden av spets 10P. Detta har tidigare kopplats till vibrationsamplitud20. De höghastighetsvideor visar att FSI 1000-spetsen har mindre vibrationer, vilket sannolikt kommer att vara varför det finns mindre kavitation runt denna spets.
En begränsning av bildanalysmetoden är att bilden subtraktion tekniken för att ta bort området av scaler är inte helt korrekt eftersom scaler är oscillerande och därför subtraktion kan lämna vissa områden av scaler falskeligen segmenterad som bubblor. Detta har dock redovisats genom att i genomsnitt området från ett stort antal ramar (n=2000). Detta skulle inte vara ett problem för program där objektet som ska subtraheras är stationärt. För studier där det rörliga objektet som ska subtraheras har en mycket högre varians rekommenderar vi att synkronisera rörelserna i båda videorna innan du subtraherar för korrekta resultat. I den aktuella studien synkroniserade vi inte svängningarna men eftersom vibrationen var låg kan vi anta att svängningarna väl motsvarar varandra i dessa två mätningar.
Bildens tröskeling är korrekt eftersom belysningen av Brightfield ger en jämn bakgrund med bra kontrast. Det är avgörande att se till att bakgrunden är enhetlig och inte innehåller några andra objekt som skulle kunna vara felaktigt segmenterade. Metoden för tröskelvärden kan ändras genom att använda andra automatiska tröskelvärden som passar programmet. Manuell tröskelvärde, där användaren anger tröskelvärdets värde, är också möjligt men rekommenderas inte eftersom det minskar reproducerbarheten av resultaten, eftersom olika användare kommer att välja olika tröskelvärden.
Bildanalys har använts för många andra bubble imaging studier. Dessa använder också en liknande metod för bakgrundsbelysning för att få optimal kontrast mellan bubblorna och bakgrunden, och tröskelvärden för att segmenterabubblorna 21,22,23,24. Den metod som visas i den aktuella studien kan också generaliseras för att användas för många olika bubble imaging applikationer, som inte är begränsade till endast höghastighetsavbildning. Höghastighetsavbildning har använts för kavitation bubblor som genereras i vatten och även runt instrument som endodontic filer och ultraljud scalers12,25,26,27,28. Till exempel Rivas et al. och Macedo et al. använde en höghastighetskamera fäst vid ett mikroskop, med belysning som tillhandahålls av en kall ljuskälla till bildrengöring med kavitation, och till bild kavitation runt en endodontisk fil17,29. Bright fält belysning ger mer kontrast mellan bakgrunden och bubblorna, vilket gör det möjligt att använda enkla segmentering tekniker såsom tröskelvärden, vilket framgår av Rivas et al. för bildbehandling och kvantifiera kavitation erosion och rengöring över tiden29. Mörk fältbelysning försvårar tröskningen på grund av den högre variationen i grå skalor4,30. Bildanalys har använts i andra studier för att samla in mer information ombubblor 1,2. Vyas et al. använde en maskininlärning strategi för segment kavitation bubblor runt en ultraljud scaler20. Den metod som beskrivs i det aktuella papperet är snabbare eftersom den använder enkel tröskel så att den är mindre beräkningsintensiv, och bubblor som uppstår över och under skalaren kan analyseras. Den tröskelmetod som används i det aktuella papperet är dock bara korrekt om bakgrunden är enhetlig. Om det inte är möjligt att få en enhetlig bakgrund under bildtagningen kan andra bildbehandlingstekniker användas såsom användning av subtraktion i bakgrunden med hjälp av en rullande bollradie för att korrigera för ojämn belysning, filtrering med hjälp av median- eller Gaussiska filter för att avlägsna brus, eller också med hjälp av maskininlärningsbaseradetekniker 20,31.
Sammanfattningsvis presenterar vi en höghastighets imaging och analys protokoll för att bilden och beräkna området för en mikroskopisk rörliga objekt. Vi har visat denna metod genom bildbehandling kavitation bubblor runt en ultraljud scaler. Den kan användas för bildbehandling kavitation runt andra tandinstrument såsom endodontiska filer och det kan enkelt anpassas för andra icke-dental bubbla imaging applikationer.
The authors have nothing to disclose.
Författarna är tacksamma för finansiering från 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 |