Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
1. Instrument setup
- Markera det instrument eller det objekt som ska avbildas. I detta experiment en ultraljud scaler avbildades. Kavitation bubblor förekommer runt spetsarna av ultraljud scalers i vatten.
- Välj en mikropositioneringsstadium för instrumentet som ska avbildas med XYZ-översättning och rotation. Placera på ett laboratorium jack. Sätt fast instrumenthandtaget i mikropositioneringsstadiet
- Välj en optiskt transparent vattenbehållare för avbildning. Behållaren som används i dessa experiment skapades med glas mikroskop diabilder.
- Välj ett XY-stadium med en rotationsplattform. Placera på ett laboratorium jack. Placera vattenbehållaren på scenen och fyll på filtrerat vatten (omvänd osmos eller destillerad).
2. Installation av höghastighetskameror
- Välj en höghastighetskamera med önskad bildhastighet och upplösning och en ljuskälla med hög intensitet med en fiberljusguide.
- Fäst en glidplatta för mikropositionering på höghastighetskamerahuset och anslut den till ett stativ.
- Välj en lins med önskad upplösning och brännvidd och fäst detta på kameran. För detta experiment användes ett zoomobjektiv med en upplösning på 8,4 μm/pixel.
- Fyll bildtanken med vatten och placera spetsen på det instrument som ska avbildas i vattentanken i önskad orientering.
- Efter att ha anslutit kameran och lasta live view i programvaran, använd låg förstoring att fokusera på spetsen av ultraljud scaler, ompositionering ljuskällan om det behövs. Placera instrumentet och ljuskällan framför kameran och fokusera. Justera till önskad bildhastighet och ljusstyrka.
OBS: En högre ljusintensitet krävs för bildtagning vid höga bildrutor, korta slutartider och/eller höga förstoringar. Belysning kan tillhandahållas i reflektionsläge eller överföringsläge. I detta protokoll belysningen tillhandahålls i överföringsläge (ljust fält) med hjälp av en högintensiv kall belysning enhet. - Ställ in en optimal bildhastighet och slutartid för höghastighetskameran. I detta experiment bildhastigheten var 6400 fps med en slutartid på 262 nanosekond. En kort slutartid krävs för snabbrörliga bubblor såsom kavitation bubblor för att säkerställa att de är i fokus.
- Justera förstoringen av zoomobjektivet och intensiteten i ljuskällan så bakgrunden är vit utan att överexponerad.
3. Kalibrering
- Ant 40.4.4.4.44 Registrera spetsens placering (rotation i x-y-stadium, rotationsvinkel av instrument för reproducerbarhet).
- För att se till att synfältet är konsekvent för varje upprepning, välj en referenspunkt och anteckna koordinaterna. I detta fall referenspunkten var spetsen på ultraljud scaler. Den kan sedan ompositioneras i framtida experiment på samma plats inom synfältet.
- Om pixelstorleken är okänd, bild en graticule med 10 μm markeringar vid den inställda förstoringen och använda bildanalys programvara såsom Fiji för att beräkna upplösningen.
4. Videoinspelning med hög hastighet
- Avbilda instrumentet utan kavitation. Detta kommer att subtraheras från kavitationsbilderna i bildanalys vid beräkning av området för kavitationsbubblorna. Spara videorna i ett format som TIFF så att ingen bildkvalitet går förlorad.
- Avbilda instrumentet som arbetar med kavitation. Se till att det finns tillräckligt med ramar för noggrann analys, till exempel 5 repetitioner med 500 bildrutor vardera.
5. Bildbehandling
- Ladda ner Fiji19 från ImageJ webbplats (https://imagej.net/Fiji). En ImageJ makrokod har tillhandahållits som automatiskt gör bilden analyssteg som beskrivs nedan och kan också ändras för att passa programmet. Makrots enskilda steg beskrivs i steg 5.3-5.5.
- Beskär bilden för att ta bort eventuella mörkare områden som uppstår vid ojämn belysning, om det behövs. Se till att alla bilder beskärs till samma storlek och på samma punkt i bilden.
- Konvertera bilderna till binärt genom att automatiskt tröskelvärden med hjälp av en av de automatiska tröskelvärdena. I det här exemplet används den lägsta auto tröskeln.
- Kör kommandot fyllningshål för att ta bort eventuella svarta pixlar inifrån bubblorna som var felaktigt segmenterade.
- Beräkna stapelns histogram för att visa antalet pixlar som motsvarar skalaren och kavitationen i varje bildruta.
- I detta fall pixlarna som motsvarar bubblorna är vita och har värde 255. Spara dessa mätningar.
- Upprepa steg 5.3-5.6 för videon av instrumentet som fungerar utan bubblorna.
- Beräkna medelområdet för ultraljudsskaleringsspetsen endast från resultaten från histogrammet.
- Subtrahera medelområdet för instrumentet från vart och ett av de områden som beräknas från videorna av bubblorna runt skalaren. Området av bubblorna lämnas att mäta.
- Visualisera genom att subtrahera den binära bilden av skalaren från den binära bilden av scaler med bubblor med hjälp av bildkalkylatorn i Fiji.
- Beräkna medelvärdet och standardavvikelsen för bubblornas område.
- Omvandla värdena från antal pixlar till område (i detta fall μm2) genom att multiplicera med pixelstorleken i kvadrat. Beräkna storleken på varje pixel genom att avbilda en gratikule med höghastighetskameran i samma förstoring som användes för bildtagning och använd ImageJ för att ställa in skalan.
- Rita upp datan. Det är också möjligt att genomföra statistisk analys för att visa någon signifikant skillnad i området av bubblor om man jämför olika villkor.
6. ImageJ makro
- Gå till Plugins > Nytt > Makro i ImageJ/Fiji-menyn. Se till att IJ1 Macro kontrolleras under språkmenyn och kopiera och klistra in följande kod. Klicka på kör för att utföra makrot (Tilläggsfil).
Representative Results
Bildanalysstegen kan ses i figur 1 för en av ultraljudsskaleringstipsen som testats. En FSI 1000 spets och en 10P spets avbildades inuti en vattentank med kylvattnet avstängd (Bild 2). Kavitation inträffade nära böjen av spets FSI 1000 vid maximal effekt, och nära den fria änden i spets 10P (Figur 3 och figur 4). Medelområdet för kavitation var 0,1 ± 0,07 mm2 för FSI 1000-spetsen och 0,50 ± 0,25 mm2 för 10P-spetsen (Figur 5).
Bild 1: Snabbbildsuppställning och bildanalyssteg (a) Schematisk för den höghastighetsavbildningsinställning som används i studien. (b) Schematisk av bild analys steg som används i studien, som visar de råa bilder till vänster om scaler spets bara och med kavitation, som sedan binarized och subtraheras från varandra för att beräkna området för kavitation moln. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 2: Jämförelse mellan olika tips Höghastighetsbild stillbilder som visar kavitation förekommer runt de två ultraljud scaler tips testas (a) FSI 1000 (b) 10P. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Bild 3: Tips 10P höghastighetsbilder: Höghastighetsbild stillbilder av spets 10P, från en video som tagits med 6400 bilder per sekund. Kavitation kan ses runt den fria änden av spetsen. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 4: Tips FSI1000 höghastighetsbilder: Höghastighetsbild stillbilder av spets FSI 1000, från en video som tagits med 6400 bilder per sekund. Kavitation kan ses runt mitten av spetsen. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 5: Bildanalysresultat för kavitationsområde. Medelvärdet området kavitation som förekommer runt FSI 1000 och 10P ultraljud scaler tips beräknas med hjälp av bilden analysteknik som beskrivs. Felstaplarna representerar standardavvikelsen. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Kompletterande Fil. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Discussion
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.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Författarna är tacksamma för finansiering från Engineering and Physical Sciences Research Council EP/P015743/1.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- 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. , World Scientific. (1999).
- Brennen, C. E. Cavitation and Bubble Dynamics. , Cambridge University Press. (2013).
- Leighton, T. The acoustic bubble. , Academic Press. (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.
