Kavitasjonsmikrobobler avbildet ved hjelp av et høyhastighetskamera festet til et zoomobjektiv. Det eksperimentelle oppsettet forklares, og bildeanalyse brukes til å beregne kavitasjonens område. Bildeanalyse gjøres ved hjelp av ImageJ.
En eksperimentell og bildeanalyseteknikk presenteres for bildekavitasjonsbobler og beregning av deres område. Høyhastighets eksperimentell teknikk og bildeanalyseprotokoll presentert her kan også brukes til å bilde av mikroskopiske bobler i andre forskningsfelt; Derfor har den et bredt spekter av applikasjoner. Vi bruker dette på bildekavitasjon rundt tann ultralydskalere. Det er viktig å bildekavitasjon for å karakterisere det og forstå hvordan det kan utnyttes for ulike applikasjoner. Kavitasjon som forekommer rundt dental ultralyd scalers kan brukes som en ny metode for dental plakk fjerning, som ville være mer effektiv og forårsake mindre skade enn dagens periodontal terapi teknikker. Vi presenterer en metode for å forestille kavitasjonbobleskyene som oppstår rundt tann ultralydskalaertips ved hjelp av et høyhastighetskamera og et zoomobjektiv. Vi beregner også området kavitasjon ved hjelp av maskinlæring bildeanalyse. Åpen kildekode-programvare brukes til bildeanalyse. Bildeanalysen som presenteres er lett å replikere, krever ikke programmeringserfaring, og kan endres enkelt for å passe til brukerens anvendelse.
Bilde av bevegelsen av bobler er viktig for ulike applikasjoner fordi den styrer hydrodynamikken til et system. Det er mange bruksområder hvor dette kan være nyttig: i fluidiserte sengereaktorer1,,2,eller for rengjøring med kavitasjonsbobler3,4. Formålet med bildebobler er å forstå mer om bobledynamikken eller om retningen og bevegelsen til en sky av bobler. Dette kan gjøres ved å observere strukturer avbildet og også ved å bruke bildeanalyse for å få kvantitativ informasjon, for eksempel størrelsen på boblene.
Kavitasjonsbobler er gass- eller dampenheter som forekommer i en væske når trykket faller under den mettede trykkverdien5. De kan oppstå når et akustisk felt påføres en væske ved ultralydfrekvenser. De vokser og kollapser gjentatte ganger, og ved kollaps kan frigjøre energi i form av høyhastighets mikrostråler og sjokkbølger6,7. Disse kan løsne partikler på en overflate gjennom skjærkrefter og forårsake overflaterengjøring8. Kavitasjonsbobler undersøkes for overflaterengjøring i ulike bransjer, for eksempel for halvledere, mat og sårrengjøring9,,10,,11,,12. De kan også brukes til å rengjøre tannplakk fra tenner og biomaterialer som tannimplantater12,,13. Kavitasjon skjer rundt brukte tanninstrumenter som ultralydskalere og endodontiske filer og viser potensial som en ekstra rengjøringsprosess med disse instrumentene14.
Oscillasjonen av kavitasjonsbobler skjer over noen få mikrosekunder, og derfor kreves et høyhastighetskamera for å fange bevegelsen ved å bilde på tusenvis av rammer persekund 8. Vi demonstrerer en metode for avbildning mikroboble kavitasjon rundt dental ultralyd scalers. Målet er å forstå hvordan kavitasjon varierer rundt forskjellige ultralydskalaere, slik at den kan optimaliseres som en ny måte å rengjøre tannplakk på.
Tidligere metoder som brukes til å undersøke kavitasjonen inkluderer sonochemiluminesence, som bruker luminol for å oppdage hvor kavitasjon har skjedd15,16. Dette er imidlertid en indirekte teknikk, og det er ikke i stand til å visualisere kavitasjonsboblene i sanntid. Derfor er det ikke i stand til å nøyaktig bestemme nøyaktig hvor det skjer på instrumentet, og ingen informasjon kan oppnås på bobledynamikken, med mindre det kombineres med andre bildeteknikker17. Høyhastighetsbilde kan bilde ikke bare kavitasjonsboblene som vokser og kollapser, men også typen kavitasjon som oppstår: kavitasjonskyer, mikrostreamere og mikrostråler6,,7,,18. Disse gir mer informasjon om hvordan kavitasjonen kan rense overflater.
Vi presenterer en metode for avbildning kavitasjon mikrobobler ved hjelp av en høyhastighetskamera og beregning av gjennomsnittlig område av kavitasjon som oppstår. Denne metoden er demonstrert ved hjelp av et eksempel på kavitasjon som forekommer rundt forskjellige dental ultralyd scaler tips, selv om eksperimentelle og bildeanalysetrinn kan brukes til andre applikasjoner, for eksempel for avbildning av andre makroer og mikrobobler.
Teknikken som er beskrevet i dette papiret, muliggjør avbildning av raske mikrobobler med høy romlig og timelig oppløsning. Det kan potensielt være til nytte for et bredt spekter av vitenskapelige disipliner som kjemiteknikk, tannbehandling og medisin. Tekniske applikasjoner inkluderer bildekavitasjonsbobler for rengjøring av overflater, eller for bildebobler i fluidiserte sengereaktorer. Biomedisinske applikasjoner inkluderer bildekavitasjon rundt medisinske og tanninstrumenter og imaging biofilm debridement fra hardt og mykt vev ved hjelp av kavitasjon bobler. I denne studien demonstrerte vi teknikken ved å avbilde kavitasjon rundt to forskjellige tann ultralydskalaertips. Mengden kavitasjon varierer mellom de to tipsene som ble testet i denne studien, med flere kavitasjonskyer observert rundt den frie enden av spissen 10P. Dette har tidligere vært knyttet til vibrasjonsalitud20. Høyhastighetsvideoene viser at FSI 1000-spissen har mindre vibrasjon, noe som sannsynligvis vil være grunnen til at det er mindre kavitasjon rundt dette tipset.
En begrensning av bildeanalysemetoden er at bildeundertraksjonsteknikken for å fjerne området på skaleren ikke er helt nøyaktig fordi skaleren oscillerende og derfor kan subtraksjonen forlate noen områder av skaleren feilaktig segmentert som bobler. Dette er imidlertid gjort rede for ved å snitte området fra et stort antall rammer (n=2000). Dette ville ikke være et problem for programmer der objektet som skal trekkes fra, står stille. For studier der det bevegelige objektet som skal trekkes fra, har en mye høyere varians, anbefaler vi at du synkroniserer bevegelsene i begge videoene før du trekker fra for nøyaktige resultater. I den nåværende studien synkroniserte vi ikke svingningene, men siden vibrasjonen var lav, kan vi anta at svingningene tilsvarer hverandre i disse to målingene.
Bildeterskelseringen er nøyaktig fordi brightfield-belysningen gir en jevn bakgrunn med god kontrast. Det er viktig å sikre at bakgrunnen er ensartet og ikke inneholder andre objekter som kan segmenteres feilaktig. Terskelmetoden kan endres ved hjelp av andre automatiske terskler som passer til programmet. Manuell tersering, der brukeren angir terskelverdien, er også mulig, men anbefales ikke, da det reduserer reproduserbarheten til resultatene, siden ulike brukere velger forskjellige terskelverdier.
Bildeanalyse har blitt brukt til mange andre boblebildestudier. Disse bruker også en lignende metode for bakgrunnsbelysning for å få optimal kontrast mellom boblene og bakgrunnen, og tersklering for å segmentereboblene 21,,22,,23,,24. Metoden som er vist i den nåværende studien kan også generaliseres til å brukes til mange forskjellige boblebildeapplikasjoner, som ikke er begrenset til bare høyhastighetsbildebehandling. Høyhastighets bildebehandling har blitt brukt til kavitasjon bobler generert i vann og også rundt instrumenter som endodontiske filer og ultralyd scalers12,25,26,27,28. For eksempel rivas et al. og Macedo et al. brukte en høyhastighets kamera festet til et mikroskop, med belysning levert av en kald lyskilde til bilderengjøring med kavitasjon, og til bildekavitasjon rundt en endodontisk fil17,29. Lys feltbelysning gir mer kontrast mellom bakgrunnen og boblene, noe som gjør det mulig å bruke enkle segmenteringsteknikker som tersklering, som demonstrert av Rivas et al. for avbildning og kvantifisering av kavitasjonerosjon og rengjøring over tid29. Mørk feltbelysning gjør terskeling vanskeligere på grunn av den høyere variasjonen igråskalaer 4,30. Bildeanalyse har blitt brukt i andre studier for å samle mer informasjon ombobler 1,2. Vyas et al. brukte en maskinlæringstilnærming for å segmentere kavitasjonsbobler rundt en ultralydsskalaer20. Metoden som er beskrevet i det gjeldende papiret er raskere fordi den bruker enkel tersklering, slik at den er mindre beregningsintensiv, og bobler som forekommer over og under skaleren kan analyseres. Terskelmetoden som brukes i gjeldende papir, er imidlertid bare nøyaktig hvis bakgrunnen er ensartet. Hvis det ikke er mulig å få en jevn bakgrunn under bildebehandling, kan andre bildebehandlingsteknikker brukes som bruk av bakgrunnsundertraksjon ved hjelp av en rullende kuleradius for å korrigere for ujevn belysning, filtrering ved hjelp av median- eller gaussiske filtre for å fjerne støy, eller også bruke maskinlæringsbaserteteknikker 20,31.
Til slutt presenterer vi en høyhastighets bilde- og analyseprotokoll for å bilde og beregne området til et mikroskopisk bevegelig objekt. Vi har demonstrert denne metoden ved å avbilde kavitasjonsbobler rundt en ultralydskalaer. Den kan brukes til bildekavitasjon rundt andre tanninstrumenter som endodontiske filer, og det kan enkelt tilpasses andre ikke-dental boble imaging applikasjoner.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne er takknemlige 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 |