在本实验方案中，采用数字图像相关技术估算股骨表面在骨折测试过程中的应变。该方法的创新之处在于股骨表面应用了高对比度的随机散斑图案，并结合了精确设定的照明条件、高速视频采集以及数字图像相关分析来进行应变计算。
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摘要
摘要
本方案描述了一种利用数字图像相关技术，通过机械测试获得的尸体股骨表面高速视频图像来估算皮质应变的方法。该光学方法要求在纯白色背景上具有大量高对比度的基准标记纹理，以便在对样本施加载荷时精确追踪表面变形。测试前，需先用基于水的白色底漆对相机视野内的目标表面进行喷涂，并静置数分钟使其完全干燥。随后，需特别注意液滴大小和形状的均匀性，将黑色涂料小心地喷涂至白色背景上形成斑点图案。照明系统经过精心设计和设置，以确保这些标记具有最佳对比度，同时通过使用滤光片尽量减少反光。通过高速视频采集获取图像，帧率最高可达12,000帧/秒。提取骨折事件发生前及发生时的关键图像，并在指定感兴趣区域内的适当大小的 interrogation window（查询窗口）中，逐帧估算连续图像之间的变形。这些变形数据随后用于计算骨折测试过程中表面应变的时间演变。应变数据对于识别股骨内骨折起始点，以及最终验证基于定量计算机断层扫描的有限元分析（QCT/FEA）所建立的近端股骨骨折强度模型具有重要价值。
引言
数字图像相关法（Digital Image Correlation, DIC）是一种图像后处理方法，本实验方案中用于根据力学断裂测试过程中获取的时间序列图像，估算尸体股骨测试样本表面的全场应变。该技术最初于20世纪80年代在实验应力分析领域开发并应用，近年来使用迅速增加1,2,3。与在结构上安装应变片等传统方法相比，DIC具有多项关键优势，包括更高的应变场空间分布分辨率、通过提高相机分辨率实现更精细的标距长度，以及避免了应变片胶粘附性或顺应性方面的问题。对于骨等生物组织而言，DIC的一个主要优势是可应用于具有高度非均质材料特性的不规则几何结构4,5。相较于传统应变测量方法，其主要缺点在于需要昂贵的高速摄像机，并具备足够的分辨率，以对感兴趣区域进行充分的空间和时间采样，从而准确估算应变场。
通过数字图像相关法（DIC）分析骨骨折获得的时间应变场，其主要应用在于验证基于定量计算机断层扫描/有限元分析（QCT/FEA）的股骨强度模型中的应变估算结果5。此类验证是许多骨科研究团队的研究重点，这些团队主要依赖来自载荷传感器和位移传感器的远....
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方案
所有实验均经机构审查委员会批准后进行。样本系通过合作方式从解剖学研究实验室获取。
1. 准备待测样本
- 在室温下解冻股骨 24 小时。
- 当股骨准备进行测试时，移除冷冻前包裹的任何包覆材料，并用干毛巾擦拭股骨，以去除残留的水分、脂肪沉积物或软组织。将大转子用骨水泥固定于预制的铝杯中。
- 使用盒子尽可能地收集颗粒，用白色塑料底漆喷涂骨骼，形成一层薄而均匀的涂层。注意确保骨骼表面被一层均匀的油漆覆盖，以获得最佳对比度和与股骨表面的牢固粘附。
注意：未测量涂层厚度。 - 让油漆至少干燥 5 分钟。此步骤至关重要，可避免在第 2 节中与散斑液滴发生意外混合。
- 用湿布包裹骨骼，以防止组织干燥。
2. 斑点化过程
- 为了在骨头上获得最佳的斑点效果，大约按1份水兑2份颜料的比例进行调配。将水逐渐加入丙烯颜料中（以获得更均匀的混合），调制成黑色。
- 将干净的牙刷浸入黑色颜料调色板中，使其吸收颜料，然后弹动刷毛，使黑色斑点均匀溅落在白色涂层上。
- 继续操作前，让颜料静置干燥5分钟。
3. 图像采集
- 将制备好的斑驳股骨安装到力学试验机上，方法是将远端包埋部分插入夹具中，并....
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结果
在进行散斑处理前，需将股骨上的多余脂肪和软组织清理干净，并将大转子部分置于铝杯中固定。在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）固化过程中，用生理盐水浸湿的布包裹骨骼，以防止组织干燥。待PMMA完全固化后，在喷涂前再次清洁骨骼表面(图1)。随后，使用水性白色塑料涂料对骨骼表面进行喷涂或刷涂。待白色涂层干燥后，再喷洒黑色颜料，使白色背景上形成随机分布的黑色斑点图案(图2)。当骨骼被安置于测试夹具中后，调节光源和高速视频相机，并在测试前检查图案的对比度以及相机的聚焦效果(图3)。数字图像相关法（DIC）要求具有高对比度的散斑图案和充足的照明条件；否则，结果可能受到多种因素的影响，例如表面过饱和、对比度差或图像模糊(图4)
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讨论
我们介绍了一种用于在骨折测试期间制备股骨样本以实现高对比度成像的标准化方案，随后利用该方案通过数字图像相关法（DIC）估算了全场应变分布。该方案通过在骨表面形成白色背景上均匀分布的黑色追踪斑点，确保了适当的对比度纹理。遵循此方案，我们成功地对八十九个股骨样本进行了DIC应变估算的重复实验。
DIC 是一种光学方法，通过在高速摄像机捕获的一系列图像上覆盖网格，并利用互相关算法追踪帧间像素强度的变化。在实验过程中，我们发现为确保该方法的准确性和稳健性，需考虑若干因素，这些细节已在本方案中详细说明。首先，我们发现相机的灵敏度和分辨率对于感兴趣的空间应变测量至关重要。其次，应避免在白色表面上使用过细的黑色对比标记纹理，因为这些标记可能无法被相机清晰识别。第三，相机和照明设备应设置在适当的距离，以确保获得最佳的景深光圈大小以及图像的质量和对比度。过强的照明可能导致图像饱和，从而降低对比度。最后，图像之间的时间间隔需设置得当，使表面散斑在相邻帧之间的移动不超过 6 个像素，以确保在互相关过程中能够准确追踪。
如本研究所示，DIC 能够为股.......
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披露
作者无相关披露信息。
致谢
作者谨此感谢梅奥诊所材料与结构测试中心在开展断裂测试过程中提供的技术支持。此外，我们还要感谢Ramesh Raghupathy和Ian Gerstel在梅奥诊所工作期间对数字图像相关（DIC）脚本的开发以及DIC实验方案具体细节提供的帮助，同时感谢明尼苏达大学Victor Barocas研究团队提供的开源软件，该软件是实现数字图像相关应变计算核心功能的基础11。本研究由格兰杰基金会格兰杰创新基金提供资金支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Krylon 塑料底漆白色 | Krylon, Peoria, AZ, USA | N/A | 用作骨表面光滑白色涂层的底漆 |
| 水性丙烯酸白色和黑色涂料 | Plaid Enterprises (Ceramcoat), Norcross, GA, USA | N/A | 提供白色和黑色颜料来源 |
| 调色碗 | 无特定品牌（通用） | N/A | 用于混合和准备涂料 |
| 泡沫刷 | Linzer Products, Wyandanch, NY, USA | N/A | 用于将涂料涂抹于骨表面 |
| 牙刷 | Colgate-Palmolive, New York, NY, USA | 硬毛 | 用于产生适当大小和分布的斑点图案 |
| Hygenic 正畸树脂（PMMA） | Patterson Dental, St Paul, MN, USA | H02252 | 受控物质，需经适当批准后方可购买 |
| Kenmore 冰柜 | Sears Holdings, Hoffman Estates, IL, USA | N/A | 用于维持骨样本在 -20oC 的储存环境 |
| 生理盐水（0.9% 氯化钠） | Baxter Healthcare, Deerfield, IL, USA | NDC 0338-0048-04 | 用于保持样本湿润 |
| 手术刀和刮刀 | Aspen Surgical (Bard-Parker), Caledonia, MI, USA | N/A | 用于去除骨样本上的软组织 |
| 通风橱 | Hamilton Laboratory Solutions, Manitowoc, WI, USA | 70532 | 在制备用于样本封装的 PMMA 时提供通风 |
| 照明设备 | ARRI, Munich, Germany | N/A | 为图像采集提供目标照明 |
| 高速摄像机 | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Photron Fastcam APX-RS | 用于记录骨折事件的高速视频 |
| Photron FASTCAM 成像与查看软件 | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Ver.3392(x64) | 用于记录和查看高速视频 |
| 相机镜头 | Zeiss, Oberkochen, Germany | Zeiss Planar L4/50 ZF 镜头 | 为获得适当的图像分辨率所必需 |
| ABAQUS CAE | Dassault Systemès, Waltham, MA, USA | 版本 6.13-4 | 用于定义感兴趣区域并创建有限元网格 |
| MATLAB | Mathworks, Natick, MA, USA | 版本 2015b | 用于图像处理和数字图像相关（DIC）分析 |
| TecPlot | TecPlot Inc., Bellevue, WA | 用于应变场的后处理 | |
| 应变计算器软件 | Victor Barocas 研究组，明尼苏达大学，明尼阿波利斯，明尼苏达州，美国 | http://license.umn.edu/technologies/20130022_robust-image-correlation-based-strain-calculator-for-tissue-systems | 用于计算应变场 |
| mov_frames.m | Matlab 脚本，梅奥诊所，罗切斯特，明尼苏达州，美国 | N/A | 用于对高速视频文件中的未压缩图像进行降采样 |
| convert_imagesize.m | Matlab 脚本，梅奥诊所，罗切斯特，明尼苏达州，美国 | N/A | 用于将图像像素坐标与网格坐标对齐 |
| rrImageTrackGui.m | Matlab 脚本，梅奥诊所，罗切斯特，明尼苏达州，美国 | N/A | 用于执行图像互相关以获取变形数据并运行应变计算器 |
| analyzeFailurePrecursor.m | Matlab 脚本，梅奥诊所，罗切斯特，明尼苏达州，美国 | N/A | 用于在时间上追踪峰值应变分量 |
| makeMovies.m | Matlab 脚本，梅奥诊所，罗切斯特，明尼苏达州，美国 | N/A | 用于创建变形分量、应变分量、主应变、von Mises 应变和应变能的可移植 *.avi 视频 |
参考文献
- Peters, W., Ranson, W. Digital imaging techniques in experimental stress analysis. Opt Eng. 21 (3), 213427-213427 (1982).
- Kwon, O., Hanna, R. The Enhanced Digital Image Correlation Technique for Feature Tracking During Drying of Wood. Strain. 46 (6), 566-580 (2010).
- Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. W. Image Co....
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重印与许可
