使用高速相机和图像分析对快速移动微泡区域进行成像与量化

高速成像可用于观测快速过程，例如空化气泡动力学。我们演示了一种对牙科超声洁治器尖端周围空化气泡进行成像的方法。目前正针对超声洁治器周围的空化现象开展研究，以用于清除牙菌斑，但此处展示的方法也可应用于许多不同领域。

我们还开发了一种使用开源软件的图像分析方案，用户可通过该方案计算空化气泡的面积，从而实现不同实验之间的比较。要构建实验装置，您需要高速相机、高强度冷光源、两个实验室升降台、带旋转功能的微调位移台、三维微调位移台、显微变焦镜头，以及用于产生空化微泡的超声波洁牙器，或您希望成像的其他物体。开始实验时，先将带有XYZ轴平移和旋转功能的微调位移台固定在实验室升降台上。

将超声波洁牙机的手柄固定在微调定位台上。使用具有所需帧率和分辨率的高速摄像机。将微调滑动板连接至高速摄像机机身，并将其固定于三脚架上。

使用具有所需分辨率和焦距的镜头，并将其安装到高速相机机身。将带有旋转功能的XY微调平台安装到另一个实验室支架上，并将光学透明成像水箱放置于其上方。同时，您还需要一个带有光纤导光管的高强度冷光源。

用水注满成像水箱，并将仪器的尖端浸入水箱中。连接相机并在成像软件中加载实时图像。使用低倍放大观察超声波洁牙器的尖端，并根据需要调整光源位置。

本研究中，采用明场模式提供照明。为高速相机选择最佳帧率和快门速度。本实验中，选用262纳秒的短快门速度，以确保快速运动的空化气泡保持清晰对焦。

调节变焦镜头的放大倍数和光源强度，使背景呈白色且不过度曝光。记录针尖的旋转角度以确保可重复性。为保证每次重复实验的视野一致，选择一个参考点并记录其坐标。

在此情况下，参考点为超声波洁牙机的尖端。如果需要进行图像分析，请先拍摄一张无空化现象的仪器图像，该图像将用于扣除仪器本身所占区域，从而计算气泡的面积。

然后，对器械周围的空化效应进行成像。这些是不同超声洁牙器工作头周围发生空化效应的高速视频。本研究采用图像分析方法计算空化效应发生的平均面积，这些图表展示了不同工作头之间的比较结果。

该技术可用于成像气泡的形态及其精确位置，有助于理解空化气泡在不同应用（如清洗）中的作用。这些高速成像实验还可通过新的医学模拟进行验证。我们已采用基于有限元建模的研究文章，来模拟振动与洁牙尖端气泡形成之间的三维、非线性及瞬态相互作用。

我们还模拟了洁牙器周围的水流、空化现象的形成及其动态过程。本方案展示了一种相对简单的方法，用于搭建高速成像系统；若能正确掌握，该系统可用于成像牙科超声洁牙器周围的空化气泡，也可用于成像其他产生空化微泡的器械。观看本视频后，您应能够充分理解如何搭建高速成像系统，以实现对高速运动微泡的成像。

该方法的主要优点是易于搭建，且快速的图像分析可轻松应用于数百张图像。该技术将帮助研究人员利用高速成像来观测快速运动的微气泡，并可轻松适用于多种气泡成像应用。