Name: 利用数字图像相关表征的血管组织标本本地菌株 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 29 s
Description: 学习使用数字图像相关技术结合单轴拉伸测试表征血管组织样本的表面应变场。该方法可精确量化软组织力学响应，为验证血管组织的计算模型提供关键数据支持。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

软件和技术支持由 Correlated Solutions Incorporated 公司提供（www.correlatedsolutions.com）。

注意：以下所述操作步骤是根据南卡罗来纳州哥伦比亚市南卡罗来纳大学机构动物照护与使用委员会批准的方案进行的。
1. 组织获取与解剖
<ol>
	<li>在组织解剖前对所有手术器械进行灭菌。将手术剪、标准精细镊子以及手术刀片在15 psi压力和121 °C温度下高压灭菌15分钟。</li>
	<li>从当地屠宰场获取一组新鲜的猪肾（7月龄长白雄性猪，60–70 kg），保留完整的主动脉。将组织置于冰浴的1%磷酸盐缓冲液（PBS）溶液中运回实验室。</li>
	<li>到达后立即使用手术剪和镊子剥离腹主动脉周围的组织。</li>
	<li>使用装有PBS（pH 7.2）的50 ml注射器冲洗血管三次。用手术剪和镊子尽可能去除血管周围组织，同时确保样本完整性不受破坏。</li>
	<li>将锋利的剃刀刀片垂直置于血管中段，确保刀片与血管长轴垂直。用剃刀连续进行三次环向切割，制备两个宽度约为20 mm的环状样本。</li>
	<li>将锋利的剃刀刀片垂直置于其中一个环状样本上，使刀片沿径向方向定位。施加锐力进行径向切割，获得用于单轴力学测试的条状样本。将样本放入100 mm玻璃培养皿中，并浸没于PBS中，直至进行表面散斑处理。对第二个环状样本重复此操作。</li>
</ol>
2. 表面散斑图案的制备
<ol>
	<li>将喷笔连接到压力阀。</li>
	<li>调节喷笔的喷嘴直径，以产生直径为 60–100 µm 的斑点（喷嘴直径的合适范围应通过预实验确定）。</li>
	<li>将约 2 ml 的黑色组织标记染料倒入喷笔的重力式供料器中。</li>
	<li>将喷笔放置在距离样品约 0.5 m 的位置。</li>
	<li>从培养皿中取出样品。在 100 psi 的喷涂压力下，对样品内膜表面喷涂组织标记染料约 5 秒。重复三次，以确保斑点图案均匀覆盖样品表面。</li>
</ol>
3. 实验操作
<ol>
	<li>使用组织粘合剂将样品的两端分别固定在塑料条（1 cm 宽 × 1 cm 长 × 0.5 cm 厚）上。将样品置于组织切片板上，调整位置使其平整摊开，然后使用数字卡尺测量其尺寸。</li>
	<li>启动机械测试系统控制。在系统控制主屏幕上，选择 &#34;波形&#34; 位于任务栏上的 &#34;设置&#34; 表。</li>
	<li>将力学试验机上夹具的位置调节至-4 mm（相对于系统中指定的初始位置伸出4 mm）。将一条塑料条（见3.1中已连接至样品）轻轻固定于力学试验机的上夹具中，使样品自然下垂。使用数显卡尺测量，确保样品与上夹具之间的距离小于2 mm。</li>
	<li>手动调整下夹具的位置，使试样的自由端可在无拉伸状态下被固定。将试样自由端连接的塑料条轻轻固定到力学试验机的下夹具中。
	<ol>
		<li>使用数显卡尺确保样品与下夹具之间的距离小于2 mm。将系统载荷传感器归零。测量样品的长度，并将其作为计算整体周向应变的参考长度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>输入机械测试程序。本演示中使用的程序包括4个单轴位移循环，每个循环以0.01 mm/sec的位移速率将样品长度拉伸18%。</li>
	<li>在剩余的检测流程中，间歇性地向样本喷洒 PBS，以确保其保持湿润。</li>
	<li>将相机（500万像素相机，100 mm镜头，像素尺寸为3.49 µm）安装在距离加载框架1.5 m的三脚架上。通过将相机设置为最小可用景深，并调整其对准位置，使整个视场清晰对焦，以确保相机与样品表面垂直。</li>
	<li>打开图像采集软件。</li>
	<li>选择 &#34;PGR-2&#34; 在选项中 &#34;选择系统&#34;.</li>
	<li>选择用于保存待分析图像的项目路径。</li>
	<li>点击 &#34;时代广场&#34; 图标，并将采集间隔设置为 5 秒。</li>
	<li>调节镜头的曝光、数值孔径和焦距，以获得样品的清晰图像。</li>
	<li>调整LED的位置，为样品提供充足的照明。</li>
	<li>点击 &#34;开始&#34; 在图像采集软件中点击图标以获取样本表面的图像。</li>
	<li>打开图像分析软件。</li>
	<li>导入获取的图像。放大单个斑点，然后计算该单个斑点内的像素数量。 
	注意：识别一个具有代表性的黑色斑点。将斑点尺寸定义为斑点两侧具有相似高灰度值的像素之间的线性距离。对于可接受的斑点尺寸，典型斑点宽度方向上的像素数应大于3个像素。为了提高测量的空间分辨率，在条件允许的情况下，大多数斑点的宽度方向上的像素数不应超过5至7个像素。因此，本案例中典型斑点的线性尺寸范围最小约为10 μm，最大约为23 μm。为确定合适的子区尺寸，一个典型的子区在其宽度方向上应至少包含3个白色斑点和3个黑色斑点。若典型斑点的线性尺寸为5个像素，则每个31×31的子区其线性尺寸至少为105 μm。子区中心之间的间距应至少为子区线性尺寸的1/6。因此，对于31×31的子区尺寸，该间距为5个像素，对应线性距离为18 μm。</li>
	<li>在确认散斑图案质量后，同时点击 &#34;运行&#34; 系统中的图标 &#34;开始&#34; 在图像采集软件中点击图标以开始测试。</li>
	<li>使用相机和图像采集软件在测试过程中连续拍摄一系列图像。</li>
</ol>
4. 实验后的清理程序
<ol>
	<li>将废弃样品放入生物危害袋中并封好袋口，联系南卡罗来纳大学环境健康与安全部门（EHS）进行妥善处理。</li>
	<li>用去磷酸盐消毒液按1:64的比例将消毒清洁剂与蒸馏水混合，将手术器械浸入该溶液中浸泡20分钟。</li>
	<li>用蒸馏水彻底冲洗步骤4.2中所述物品，用纸巾擦干器械后喷洒70%乙醇溶液，再次用纸巾将手术器械擦干，并放回手术工具箱中。</li>
</ol>
5. 图像分析以测量局部应变场
<ol>
	<li>打开图像分析软件。</li>
	<li>点击 &#34;Speckle images&#34; 选项卡，选择所有需要分析的图像。</li>
	<li>点击矩形工具，并在第一幅图像中选择感兴趣区域。</li>
	<li>输入子区尺寸为 41×41 像素，步长为 5 像素。</li>
	<li>点击软件中的“开始分析”选项卡，将插值方法设置为优化的 8-trap；将判据设置为零归一化平方差，子区权重选项设置为高斯分布。</li>
	<li>在软件中将阈值选项设置为默认值。</li>
	<li>在“开始分析”选项卡中点击后处理子选项卡。勾选应变计算选项，滤波器尺寸和类型保持软件默认设置。选择张量类型为拉格朗日（Lagrange）。</li>
	<li>选择数据选项卡，然后选择任意一幅已分析的图像以可视化表面应变场。</li>
</ol>

<ol><li>Holzapfel, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomechanics+of+soft+tissue%5BTitle%5D)+AND+%22The+handbook+of+materials+behavior+models%22%5BJournal%5D)">Biomechanics of soft tissue.</a> The handbook of materials behavior models. 3, 1049-1063 (2001).</li>
<li>Vito, R. P., Dixon, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Blood+vessel+constitutive+models-1995-2002%5BTitle%5D)+AND+%22Annu+Rev+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Blood vessel constitutive models-1995-2002.</a> Annu Rev Biomed Eng. 5, 413-439 (2003).</li>
<li>Dodson, R. B., Martin, J. T., Hunter, K. S., Ferguson, V. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+hyperelastic+properties+for+umbilical+artery+in+preeclampsia+from+uniaxial+extension+tests%5BTitle%5D)+AND+%22Eur+J+Obstet+Gynecol+Reprod+Biol%22%5BJournal%5D)">Determination of hyperelastic properties for umbilical artery in preeclampsia from uniaxial extension tests.</a> Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol. 169, 207-212 (2013).</li>
<li>Chuong, C. J., Fung, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+residual+stresses+in+arteries%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech+Eng%22%5BJournal%5D)">On residual stresses in arteries.</a> J Biomech Eng. 108, 189-192 (1986).</li>
<li>Borschel, G. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tissue+engineering+of+recellularized+small-diameter+vascular+grafts%5BTitle%5D)+AND+%22Tissue+Eng%22%5BJournal%5D)">Tissue engineering of recellularized small-diameter vascular grafts.</a> Tissue Eng. 11, 778-786 (2005).</li>
<li>Wagenseil, J. E., Mecham, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vascular+extracellular+matrix+and+arterial+mechanics%5BTitle%5D)+AND+%22Physiol+Rev%22%5BJournal%5D)">Vascular extracellular matrix and arterial mechanics.</a> Physiol Rev. 89, 957-989 (2009).</li>
<li>Holzapfel, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+material+models+for+arterial+walls+from+uniaxial+extension+tests+and+histological+structure%5BTitle%5D)+AND+%22J+Theor+Biol%22%5BJournal%5D)">Determination of material models for arterial walls from uniaxial extension tests and histological structure.</a> J Theor Biol. 238, 290-302 (2006).</li>
<li>Tanaka, T. T., Fung, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastic+and+inelastic+properties+of+the+canine+aorta+and+their+variation+along+the+aortic+tree%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Elastic and inelastic properties of the canine aorta and their variation along the aortic tree.</a> J Biomech. 7, 357-370 (1974).</li>
<li>Sokolis, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Passive+mechanical+properties+and+structure+of+the+aorta%3A+segmental+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+physiologica%22%5BJournal%5D)">Passive mechanical properties and structure of the aorta: segmental analysis.</a> Acta physiologica. 190, 277-289 (2007).</li>
<li>Twal, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cellularized+Microcarriers+as+Adhesive+Building+Blocks+for+Fabrication+of+Tubular+Tissue+Constructs%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Cellularized Microcarriers as Adhesive Building Blocks for Fabrication of Tubular Tissue Constructs.</a> Ann Biomed Eng. , 1-12 (2013).</li>
<li>Shazly, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+Uniaxial+Ring+Test+of+Tissue+Engineered+Constructs%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Mech%22%5BJournal%5D)">On the Uniaxial Ring Test of Tissue Engineered Constructs.</a> Exp Mech. , 1-11 (2014).</li>
<li>Kim, J., Baek, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Circumferential+variations+of+mechanical+behavior+of+the+porcine+thoracic+aorta+during+the+inflation+test%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Circumferential variations of mechanical behavior of the porcine thoracic aorta during the inflation test.</a> J Biomech. 44, 1941-1947 (2011).</li>
<li>Li, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+material+parameters+of+the+two-dimensional+Holzapfel-Weizsacker+type+model+based+on+uniaxial+extension+data+of+arterial+walls%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Methods+Biomech+Biomed+Engin%22%5BJournal%5D)">Determination of material parameters of the two-dimensional Holzapfel-Weizsacker type model based on uniaxial extension data of arterial walls.</a> Comput Methods Biomech Biomed Engin. 16, 358-367 (2013).</li>
<li>Li, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+the+material+parameters+of+four-fibre+family+model+based+on+uniaxial+extension+data+of+arterial+walls%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Methods+Biomech+Biomed+Engin%22%5BJournal%5D)">Determination of the material parameters of four-fibre family model based on uniaxial extension data of arterial walls.</a> Comput Methods Biomech Biomed Engin. 17, 695-703 (2014).</li>
<li>Hoeltzel, D. A., Altman, P., Buzard, K., Choe, K. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strip+extensiometry+for+comparison+of+the+mechanical+response+of+bovine%2C+rabbit%2C+and+human+corneas%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech+Eng%22%5BJournal%5D)">Strip extensiometry for comparison of the mechanical response of bovine, rabbit, and human corneas.</a> J Biomech Eng. 114, 202-215 (1992).</li>
<li>Guo, X., Kassab, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Variation+of+mechanical+properties+along+the+length+of+the+aorta+in+C57bl%2F6+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Am+J+Physiol+Heart+Circ+Physiol%22%5BJournal%5D)">Variation of mechanical properties along the length of the aorta in C57bl/6 mice.</a> Am J Physiol Heart Circ Physiol. 285, H2614-H2622 (2003).</li>
<li>Smutz, W., Drexler, M., Berglund, L., Growney, E., An, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accuracy+of+a+video+strain+measurement+system%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Accuracy of a video strain measurement system.</a> J Biomech. 29, 813-817 (1996).</li>
<li>Genovese, K., Lee, Y. U., Lee, A. Y., Humphrey, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+improved+panoramic+digital+image+correlation+method+for+vascular+strain+analysis+and+material+characterization%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mech+Behav+Biomed+Mater%22%5BJournal%5D)">An improved panoramic digital image correlation method for vascular strain analysis and material characterization.</a> J Mech Behav Biomed Mater. 27, 132-142 (2013).</li>
<li>Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+automated+approach+for+direct+measurement+of+two-dimensional+strain+distributions+within+articular+cartilage+under+unconfined+compression%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech+Eng%22%5BJournal%5D)">An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression.</a> J Biomech Eng. 124, 557-567 (2002).</li>
<li>Ning, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deformation+measurements+and+material+property+estimation+of+mouse+carotid+artery+using+a+microstructure-based+constitutive+model%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech+Eng%22%5BJournal%5D)">Deformation measurements and material property estimation of mouse carotid artery using a microstructure-based constitutive model.</a> J Biomech Eng. 132, 121010(2010).</li>
<li>Sutton, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain+field+measurements+on+mouse+carotid+arteries+using+microscopic+three-dimensional+digital+image+correlation%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Mater+Res+A%22%5BJournal%5D)">Strain field measurements on mouse carotid arteries using microscopic three-dimensional digital image correlation.</a> J Biomed Mater Res A. 84, 178-190 (2008).</li>
<li>Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSutton%2C+MA+%22Image+correlation+for+shape%2C+motion+and+deformation+measurements%3A+basic+concepts%2C+theory+and+applications%22">Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications</a>. , Springer Science & Business Media. (2009).</li>
<li>Verhulp, E., van Rietbergen, B., Huiskes, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+three-dimensional+digital+image+correlation+technique+for+strain+measurements+in+microstructures%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">A three-dimensional digital image correlation technique for strain measurements in microstructures.</a> J Biomech. 37, 1313-1320 (2004).</li>
<li>Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+automated+approach+for+direct+measurement+of+two-dimensional+strain+distributions+within+articular+cartilage+under+unconfined+compression%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 124, 557-567 (2002).</li>
<li>Franck, C., Hong, S., Maskarinec, S., Tirrell, D., Ravichandran, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+full-field+measurements+of+large+deformations+in+soft+materials+using+confocal+microscopy+and+digital+volume+correlation%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Mech%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional full-field measurements of large deformations in soft materials using confocal microscopy and digital volume correlation.</a> Exp Mech. 47, 427-438 (2007).</li>
<li>Garcia, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+study+and+constitutive+modelling+of+the+passive+mechanical+properties+of+the+porcine+carotid+artery+and+its+relation+to+histological+analysis%3A+Implications+in+animal+cardiovascular+device+trials%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Eng+Phys%22%5BJournal%5D)">Experimental study and constitutive modelling of the passive mechanical properties of the porcine carotid artery and its relation to histological analysis: Implications in animal cardiovascular device trials.</a> Med Eng Phys. 33, 665-676 (2011).</li>
<li>Miller, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+to+test+very+soft+biological+tissues+in+extension%3F%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">How to test very soft biological tissues in extension?</a> J Biomech. 34, 651-657 (2001).</li>
<li>Sutton, M. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSutton%2C+MA+%22Springer+handbook+of+experimental+solid+mechanics%22">Springer handbook of experimental solid mechanics</a>. , Springer. 565-600 (2008).</li>
<li>Han, H. C., Fung, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Longitudinal+strain+of+canine+and+porcine+aortas%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Longitudinal strain of canine and porcine aortas.</a> J Biomech. 28, 637-641 (1995).</li>
<li>Sokolis, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+passive+strain-energy+function+for+elastic+and+muscular+arteries%3A+correlation+of+material+parameters+with+histological+data%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Biol+Eng+Comput%22%5BJournal%5D)">A passive strain-energy function for elastic and muscular arteries: correlation of material parameters with histological data.</a> Med Biol Eng Comput. 48, 507-518 (2010).</li>
<li>Zhou, B., Wolf, L., Rachev, A., Shazly, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+structure-motivated+model+of+the+passive+mechanical+response+of+the+primary+porcine+renal+artery%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mech+Med+Biol%22%5BJournal%5D)">A structure-motivated model of the passive mechanical response of the primary porcine renal artery.</a> J Mech Med Biol. , (2013).</li>
<li>Zhou, B., Rachev, A., Shazly, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+biaxial+active+mechanical+properties+of+the+porcine+primary+renal+artery%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mech+Behav+Biomed+Mater%22%5BJournal%5D)">The biaxial active mechanical properties of the porcine primary renal artery.</a> J Mech Behav Biomed Mater. 48, 28-37 (2015).</li>
<li>Sommer, G., Holzapfel, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+constitutive+modeling+of+the+biaxial+mechanical+response+of+intact+and+layer-dissected+human+carotid+arteries%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mech+Behav+Biomed+Mater%22%5BJournal%5D)">3D constitutive modeling of the biaxial mechanical response of intact and layer-dissected human carotid arteries.</a> J Mech Behav Biomed Mater. 5, 116-128 (2012).</li>
</ol>

作者无潜在利益冲突。

尽管以往的研究已采用多种染料示踪视频方法来评估样品应变18,20,21,23,24，但本研究的目的是提供一种综合性的方法，将单轴拉伸试验与二维数字图像相关法（2D-DIC）相结合，用于评估血管组织样品表面的应变。通过高分辨率相机和自主开发的图像分析软件，可在样品经历单轴加载过程中，测量预设表面区域内的应变场。对于血管组织的力学测试而言，该技术尤其具有相关性，可直接调整用于平面双轴试验中的表面应变评估，进而有助于识别材料的本构特性。
为了便于进行数字图像相关分析，需在样品表面施加散斑图案。用于生成散斑的涂料是一种组织标记染料，可轻易附着于大多数软组织表面。通过调节喷笔的喷嘴直径以及样品与喷笔之间的距离，可实现最佳散斑尺寸（60–100 µm）和喷涂距离（0.5 m），从而获得高质量的对比度和适宜的散斑密度。所用散斑尺寸直接影响最终测量结果的分辨率23,25。每个散斑需被至少3–5个像素采样，才能获得可接受的图像相关性。在本实验中，视场为22 mm×18 mm，结合所用散斑尺寸，实验分辨率达到9 µm/像素。
<p class="jo...

五十多年来，大量研究致力于量化血管组织的力学特性。这些研究有助于我们更好地理解血管的生理与病理行为，为评估血管内器械的有效性/相容性提供依据，并推动工程化血管结构的设计与构建1-6。由于大多数组织具有力学上的异质性、各向异性和非线性特征，因此对软组织力学响应的精确测量及其力学特性的本构建模本质上具有挑战性。此外，在力学测试过程中，试样与夹具界面处引入的局部复杂性（例如，弯曲、摩擦、应力集中、撕裂）以及组织从活体动物中切除后力学性质不可避免的改变，常常使实验测量结果受到干扰。
单轴拉伸实验是对由固体材料制成的试样可进行的最简单的力学测试之一，常用于评估血管组织的力学响应。这些实验的结果可为天然和工程化组织来源提供有用的初步信息，并可用于比较特定治疗、疾病状态或药理化合物对血管壁力学行为的影响7-11。
软组织的单轴力学测试通常在几何形状相对均匀的样品上进行，这些样品最常见为狗骨形或环形7,8,12-14。然而，由于组织解剖、分离以及在测试系统中夹持时存在技术挑战，样品的实际几何形状可能显著偏离理想形态。当样品在单轴拉伸条件下受力时，任何几何上的不均匀性最终都会导致应力和应变场的非均质分布，其非均质程度取决于样品的实际形状、样品尺寸（相对于夹具）以及材料的力学特性9,15,16。当场分布的非均质性显著时，基于夹具相对位置计算的样品应变是不准确的，因此不足以作为评估材料力学行为的依据。
视频分析系统已广泛用于软组织的应变测量，通常通过在样本表面施加高对比度染料标记来实现17,18。数字图像相关法是一种光学计量技术，通过比较样本表面在变形前后灰度强度值的变化，测量全场表面应变，该技术已与软组织的视频分析结合使用19-21。与可用于测量的干涉测量方法相比，数字图像相关法具有多项优势。首先，作为一种非接触式测量技术，它最大限度地减少了测量系统对样本的影响所导致的材料特性改变所带来的干扰效应。其次，该方法对测量环境的要求远低于其他方法，且具有更宽的灵敏度和分辨率范围。第三，由于具备获取全场视图的能力，该技术可同时表征平均和局部的力学响应。关于该方法的详细说明，建议读者参考Sutton所著的书籍22。
为了获取试样表面的应变场，可采用二维数字图像相关技术（2D-DIC）。简而言之，需采集试样在未加载及不同加载状态下的图像。第一幅图像被划分为若干称为子区（M×M像素）的小方块，这些子区构成用于后续计算二维应变场的网格。通过图像匹配算法确定每个子区在变形后试样中的位置。随后逐帧追踪每个子区的运动，从而获得位移场，并进一步通过多种方法（如多项式拟合或有限元插值）推导出变形梯度和应变。在本文中，我们详细介绍了一种结合单轴拉伸试验与2D-DIC技术评估天然血管组织表面应变场的详细方法学。

<table><tbody><tr><td>单轴拉伸力学测试仪</td><td>Enduratec</td><td>3230 AT/HR</td><td></td></tr><tr><td>蓝色组织标记染料</td><td>http://www.ebay.com/itm/组织标记染料-瓶装-2盎司-每瓶1个-/201193551510?pt=LH_DefaultDomain_0&amp;amp;hash=item2ed811f696</td><td></td><td></td></tr><tr><td>喷雾器</td><td>Anest-iwata</td><td>CM-B</td><td>定制微米B</td></tr><tr><td>相机</td><td>Point Grey</td><td>GS2-GE-50S5M-C</td><td></td></tr><tr><td>透镜</td><td>Tokina</td><td>AT-X M100</td><td></td></tr><tr><td>血管组织</td><td>Caughman 公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>0.9% 氯化钠注射液 PBS</td><td>巴克斯特医疗公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vic_snap</td><td>Correlated Solutions</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vic_2D</td><td>Correlated Solutions</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wintest 4.1</td><td>Bose ElectroForce</td><td></td><td></td></tr><tr><td>组织粘合剂</td><td>&amp;nbsp;3M Vetbond&amp;nbsp;</td><td>1469SB</td><td></td></tr><tr><td>消毒剂&amp;nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>04-355-13</td><td>Decon BDD Bacdown 洗涤剂消毒剂</td></tr></tbody></table>

利用数字图像相关技术表征血管组织样本上的局部应变

Using Digital Image Correlation to Characterize Local Strains on Vascular Tissue Specimens

生物组织及工程化软组织力学行为的表征是基础生物医学研究和产品开发中的核心环节。通常通过力学测试数据获得应力-应变关系，以实现样本间的比较评估，并在某些情况下识别其本构力学特性。然而，若采用平均应变测量方法，可能会引入误差，因为样本几何形状的不均匀性以及测试系统中软组织安装/夹持所引起的应力集中，可能导致应变场存在显著的非均质性。当应变场非均质性显著时，准确评估样品的力学响应需要测量局部应变。本研究展示了一种新型生物力学测试方案，该方案结合力学测试装置、高分辨率相机和数字图像相关技术，用于计算局部表面应变。通过获取并分析一系列样品表面图像，量化血管组织试样在阶梯式单轴加载下的局部表面应变。该方法可提高血管生物力学实验的准确性，并在其他天然软组织、工程化软组织以及软水凝胶/聚合物材料中具有广泛的应用潜力。在视频中，我们演示了如何搭建系统组件，并对天然血管组织进行一次完整的实验操作。

通过对血管组织进行阶梯式单轴拉伸试验所获得的力学数据，包含在给定的位移速率下，载荷与施加的试样位移之间的关系。本研究中，结合二维数字图像相关法（2D-DIC）与单轴力学测试，用于测量试样在不同变形状态下正交方向上的表面应变场。血管组织的黏弹性特性表现为在力学预 conditioning 之前，载荷-位移曲线中存在明显的滞后现象。为了提高力学测试的可重复性并获得弹性力学响应，通过多次加载-卸载循环对组织进行力学预 conditioning，使滞后现象逐渐减弱（图 1）。尽管试样制备与安装过程极为谨慎，2D-DIC 测量结果仍表明，试样内膜表面的应变场在周向和纵向两个方向上均呈现高度非均匀性。正如预期，局部周向应变值随施加的试样位移增加而增大。周向应变分布的非均匀性通常导致试样中心区域的应变值低于试样与夹具接触界面附近的值，反映了夹具对局部应变的影响（图 2）。在纵向方向上，随着试样逐渐拉伸，试样内膜表面产生的非均匀压缩应变增大，且所产生的应变场相较于周向方向表现出更显著的非均匀性（图 3</...

我们描述了使用数字图像相关技术来表征经受单轴拉伸试验的血管组织样本表面局部应变场的方法。这些测量有助于精确量化样本的力学响应，并建立本构应力-应变关系。

表征生物及工程化软组织的力学行为是基础生物医学研究和……

本实验方案的总体目标是对血管组织样本的局部表面应变场进行表征。该目标通过结合单轴拉伸试验的数字图像相关技术来实现。该方法有助于解答软组织力学领域的关键科学问题，并可提供重要信息，用于识别和验证日益复杂的血管组织计算模型与数学模型。该技术的主要优势在于能够精确量化样品表面的应变场异质性，这种异质性取决于材料的固有特性、符号几何形状以及所采用的测试模式。组织样本一旦到达实验室，立即使用手术剪刀和镊子将其腹主动脉从周围组织中分离出来。随后，使用装有磷酸盐缓冲液（PBS）的注射器冲洗血管三次。洗涤后，使用剪刀和镊子尽可能去除血管周围组织，同时不破坏样本的完整性。然后，将锋利的刀片垂直于血管的长轴放置在血管中段，切割三次，以制备两个环状样本。接着，将刀片放置在其中一个环状样本上，进行一次径向切割。将环状样品用力切割成条状，用于单轴力学测试。对两个环状样品均进行此操作。将两个样品暂时存放在盛有PBS的100 mm玻璃培养皿中。为了在样品表面形成斑点，需准备好喷枪以喷洒组织标记染料。将喷枪连接至压力阀，并将压力调节至100 psi。然后加入组织标记染料。喷嘴直径必须针对60至100微米的散斑直径进行校准。然后，将组织标记染料喷涂在样本的内膜表面，持续约五秒钟。重复此操作三次，以确保散斑图案均匀覆盖样本表面。首先，将样品安装到测试装置上。先使用组织粘合剂将样品的两端分别固定在塑料条上。在样品的顶部和底部均放置塑料条，并用粘合剂将其夹紧，形成三明治结构。将样本平放在组织切片板上，然后使用数显卡尺测量其尺寸。接下来，启动测试设备的系统控制。在系统控制的主屏幕上，于设置选项卡的任务栏中选择波形。然后，将力学测试仪上夹具的位置调整至负4 mm，以相对于系统中指定的初始位置提供4 mm的延伸。现在，轻轻地将一条塑料条固定在力学测试仪的上夹具中，并使样品自由悬挂。接着，调整下夹具的位置，使样品的自由端可以在无拉伸状态下被固定。然后，将固定在自由端的塑料条轻轻固定到测试仪的下部夹具中。样品安装完毕后，将系统的载荷传感器归零。接着测量样品的长度，并在计算整体周向应变时将其用作参考长度。现在，在软件控制中输入力学测试程序。此处施加四次单轴位移循环。每次循环以每秒0.01毫米的位移速率将样品长度延长18%。为记录测试过程，每隔几秒拍摄一张照片。将相机置于距加载框架1.5 m处，与样品垂直，并对焦于样品。在图像采集软件的选项中选择系统“select PGR2”，然后设置项目路径，以保存待分析的图像。单击时间方块图标，并将采集间隔设置为5秒。现在，导入获取的图像。放大单个散斑，然后计算该单个散斑内的像素数量。在确认散斑图案质量后，同时点击系统中的“运行”图标和图像采集软件中的“开始”图标，以启动测试。在整个实验过程中，需间歇性地向样品喷洒PBS，以防止其干燥。但此操作应在样品处于无负载状态时进行，切勿在数据采集期间执行。打开图像分析软件后，点击“斑点图像”选项卡，选择所有需要分析的图像。然后，点击矩形工具，在第一幅图像中选择感兴趣的区域。接着，输入子区域大小为 31 × 31 像素，步长为 5 像素。现在点击软件中的“开始分析”选项卡，将插值设置为优化的 8 点梯形。同时，将判据设置为归一化平方差为零，子集权重选项设置为高斯。勾选阈值选项。它们应保持默认设置。接下来，点击“开始分析”选项卡下的“后处理”子选项卡。选择“字符串计算”选项，并将滤波器大小和滤波器类型保留为默认值。将张量类型设置为拉格朗日。最后，选择数据选项卡，然后选择一幅已分析的图像以可视化表面应变场。结合单轴力学测试的二维数字图像相关技术（2D DIC）被用于测量血管组织样本在不同变形状态下的表面应变场。在机械预处理前的低位移曲线中，组织的黏弹性特性通过滞后程度表现得尤为明显。然而，随着预处理的进行，滞后现象逐渐减弱。正如预期，随着施加的样品位移增加，局部周向应变值也随之增大。与试样夹持界面附近相比，周向应变在试样中心附近通常较小。在纵向方向上，随着试样逐渐被拉伸，其内膜表面产生的非均匀压应变也随之增加。全场应变测量的等高线图中颜色的变化清晰地表明，当主动脉受到名义上的单轴拉伸载荷时，其具有高度的非均匀性。随后计算了各实验状态下正交方向表面应变场的变异系数。结果发现，表面应变的变化与样品的延伸程度呈反比关系。材料响应的高度异质性通过变异系数（CV）在表格中进行了量化。观看本视频后，您应能够充分理解如何结合数字图像相关技术与血管组织样本的单轴拉伸试验，来量化局部表面力学响应。该技术问世后，为软组织力学领域的研究人员探索血管组织的生理、病理及调控下的力学响应开辟了道路。

using-digital-image-correlation-to-characterize-local-strains-on

Research

科研

JoVE Journal

Biology

生物学

利用数字图像相关表征的血管组织标本本地菌株

采用光学表面应变测量系统来表征支架植入引起的动脉应变分布。该可视化技术用于深入了解支架植入对宿主血管的影响。...

监测血管内支架置入过程中的管壁力学变化

采用延时显微镜和图像处理技术，在环境可控的生物反应器中对成纤维细胞介导的凝胶收缩及纤维蛋白纤维重排进行为期48小时的观察与分析 时期。...

观察与定量成纤维细胞介导的纤维蛋白凝胶收缩

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。...

一种利用数字图像相关法在骨折测试期间估算尸体股骨皮质应变的方法

我们介绍了一种使用两种不同荧光染料的体内成像方法，用于追踪成年Sprague-Dawley大鼠脊髓挫伤后脊髓血管的动态变化。...

体内实验 双色成像法用于挫伤性脊髓损伤后血管动态的观察

本研究介绍了一种利用激光散斑对比成像技术测量人体口腔黏膜微循环的实验方案。通过一例临床病例展示了结合异种胶原膜移植进行前庭成形术后伤口愈合的监测过程。...

一种监测人牙龈移植组织新生血管化的 novel 方法

采用一种结合裂纹扩展速率测量与应变场分析的新方法，研究微结构尺度下疲劳短裂纹的扩展行为，以揭示晶粒尺度以下的累积变形场。...

使用数字图像相关法对微结构小疲劳裂纹扩展进行全场应变测量

本文介绍了一种利用高速伺服液压加载框架在中等应变率下对拉伸试样进行动态表征的方法。同时，还规定了试样上应变片的安装与分析，以及数字图像相关应变测量的实验步骤。...

使用数字图像相关法进行中等应变率下的材料表征

我们开发了一种力学成像分析流程，用于研究动脉粥样硬化斑块在结构和力学特性上的异质性。该分析流程能够关联纤维斑块组织中胶原纤维取向的局部主导角度与分散程度、破裂行为以及应变特征图谱。...

研究局部胶原结构与动脉粥样硬化斑块纤维组织力学特性相关性的方法

本文介绍了一种用于测量肌腱离体组织内局部二维组织应变的开源数字图像相关算法。该技术的准确性已通过多种方法得到验证，并可供公众使用。...

测量肌腱中的局部组织应变 通过 开源数字图像相关法

我们介绍一种通过将微小颗粒粘附到表面，从而在硅胶表面施加永久性标记和图案的方法。这些标记可以是可识别的图案，也可以是用于数字图像相关的随机散斑图案。...

在弹性体表面施加持久、牢固的精细颗粒模板图案

学习使用数字图像相关技术结合单轴拉伸测试表征血管组织样本的表面应变场。该方法可精确量化软组织力学响应，为验证血管组织的计算模型提供关键数据支持。

利用数字图像相关技术表征血管组织样本上的局部应变

探索更多视频