Verwenden von Bildkorrelation Lokale Stämme auf Gefäßgewebeproben zu charakterisieren
24. Januar 2016
Wir beschreiben die Verwendung digitaler Bildkorrelation zur Charakterisierung des lokalen Oberflächendehnungsfeldes auf vaskulären Gewebeproben, die einem einachsigen Zugversuch unterzogen wurden. Diese Messungen ermöglichen eine präzise Quantifizierung der mechanischen Reaktion der Probe und die Generierung konstitutiver Spannungs-Dehnungs-Beziehungen.
Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, das lokale Oberflächendehnungsfeld auf vaskulären Gewebeproben zu charakterisieren. Dies wird durch eine digitale Bildkorrelationstechnik mit einachsigem Zugversuch erreicht. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen auf dem Gebiet der Weichteilmechanik zu beantworten und insbesondere Informationen zu liefern, um immer ausgefeiltere rechnerische und mathematische Modelle von Gefäßgewebe zu identifizieren und zu entkräften.
Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, eine präzise Quantifizierung der Heterogeinität eines Dehnungsfeldes auf der Probenoberfläche zu ermöglichen, die eine Funktion der inhärenten Materialeigenschaften, der Symbolgeometrie und der verwendeten Prüfmodalität ist. Sobald das Gewebe im Labor ankommt, isolieren Sie die Bauchschlagader mit einer chirurgischen Schere und Pinzette vom umgebenden Gewebe. Waschen Sie dann das Gefäß dreimal mit einer mit PBS gefüllten Spritze.
Verwenden Sie nach den Waschungen eine Schere und eine Pinzette, um so viel perivaskuläres Gewebe wie möglich zu entfernen, ohne die Integrität der Probe zu beeinträchtigen. Positionieren Sie dann eine scharfe Rasierklinge senkrecht zur Längsachse des Gefäßes auf den mittleren Teil des Gefäßes und hacken Sie das Gefäß dreimal ab, um zwei Ringproben zu erhalten. Positionieren Sie als Nächstes eine Klinge auf einem der Ringe, um einen radialen Schnitt zu machen.
Schneiden Sie den Ring fest auf, um eine streifenförmige Probe für die einachsige mechanische Prüfung herzustellen. Tun Sie dies mit beiden Ringen. Lagern Sie die beiden Proben vorübergehend in einer 100-mm-Glaspetrischale, die in PBS getaucht ist.
Um die Probenoberfläche zu gesprenkeln, halten Sie eine Luftbürste bereit, um Gewebemarkierungsfarbe zu sprühen. Schließen Sie die Luftbürste an ein Druckventil an, das auf 100 psi eingestellt ist. Fügen Sie als Nächstes den Gewebemarkierungsfarbstoff hinzu.
Der Düsendurchmesser muss für Speckle-Durchmesser zwischen 60 und 100 Mikrometern kalibriert werden. Sprühen Sie dann etwa fünf Sekunden lang Gewebemarkierungsfarbe auf die Intimoberfläche der Probe. Wiederholen Sie diesen Vorgang dreimal, um sicherzustellen, dass das Speckle-Muster die Probenoberfläche gleichmäßig bedeckt.
Montieren Sie zunächst die Probe an der Prüfvorrichtung. Befestigen Sie zunächst jedes Ende der Probe mit einem Gewebekleber an einem Kunststoffstreifen. Legen Sie mit dem Klebstoff Kunststoff sowohl auf die Ober- als auch auf die Unterseite der Probe und formen Sie ein Sandwich.
Legen Sie die Probe flach auf ein Schneidebrett und messen Sie dann ihre Abmessungen mit einem digitalen Messschieber. Initiieren Sie anschließend die Systemsteuerung für die Prüfvorrichtung. Wählen Sie auf dem Startbildschirm der Systemsteuerung in der Taskleiste auf der Registerkarte "Einrichten" die Option "Wellenform" aus.
Stellen Sie dann die Position des oberen Griffs des mechanischen Prüfgeräts auf minus vier mm ein, um eine Verlängerung um 4 mm relativ zur vorgesehenen Ausgangsposition im System zu erreichen. Befestigen Sie nun vorsichtig einen Kunststoffstreifen im oberen Griff des mechanischen Testers und lassen Sie die Probe frei hängen. Passen Sie anschließend die Position des unteren Griffs so an, dass das freie Ende der Probe ohne Verlängerung gesichert werden kann.
Befestigen Sie dann den am freien Ende befestigten Kunststoffstreifen vorsichtig im unteren Griff des Testers. Wenn die Probe montiert ist, stellen Sie die Wägezelle des Systems auf Null. Messen Sie dann die Länge der Probe und verwenden Sie diese als Referenzlänge bei der Berechnung der globalen Umfangsdehnungen.
Geben Sie nun in der Softwaresteuerung das mechanische Prüfprotokoll ein. Dabei kommen vier einachsige Verschiebezyklen zum Einsatz. Jeder Zyklus verlängert die Probenlänge um 18 Prozent bei einer Verschiebungsrate von 0,01 mm pro Sekunde.
Um den Test zu dokumentieren, machen Sie alle paar Sekunden ein Foto. Positionieren Sie eine Kamera 1,5 m vom Laderahmen entfernt senkrecht zur Probe und fokussieren Sie sie auf die Probe. In der Bildaufnahmesoftware wählen Sie in der Option System auswählen"PGR2 auswählen und legen Sie dann den Projektpfad fest, um die zu analysierenden Bilder zu speichern.
Klicken Sie auf das Zeitquadrat-Symbol und geben Sie das Erfassungsintervall auf 5 Sekunden an. Importieren Sie nun das erhaltene Bild. Vergrößern Sie einen einzelnen Sprenkel und zählen Sie dann die Anzahl der Pixel innerhalb dieses einzelnen Sprenkels.
Nachdem Sie die Qualität des Speckle-Musters überprüft haben, klicken Sie gleichzeitig auf das "Run"-Symbol im System und das "Start"-Symbol in der Bildaufnahmesoftware, um den Test zu starten. Sprühen Sie während des gesamten Protokolls mit Unterbrechungen PBS auf die Probe, damit sie nicht austrocknet. Tun Sie dies jedoch immer dann, wenn es sich im entladenen Zustand befindet, nicht während der Datenerfassung.
Klicken Sie nach dem Öffnen der Bildanalysesoftware auf die Registerkarte "Speckle-Bilder" und wählen Sie alle Bilder aus, die analysiert werden sollen. Klicken Sie dann auf das Rechteckwerkzeug und wählen Sie den Interessenbereich im ersten Bild aus. Geben Sie als Nächstes eine Teilmenge von 31 x 31 Pixeln und eine Schrittweite von fünf Pixeln ein.
Klicken Sie nun in der Software auf die Registerkarte "Analyse starten" und stellen Sie die Interpolation auf eine optimierte 8er-Falle ein. Legen Sie außerdem das Kriterium auf null normalisierte quadratische Differenzen und die Option für die Teilmengengewichtung auf Gaucian fest. Überprüfen Sie die Schwellenwertoptionen.
Sie sollten standardmäßig aktiviert sein. Klicken Sie anschließend auf die Unterregisterkarte Nachbearbeitung unter der Registerkarte Analyse starten. Wählen Sie die Option "Zeichenfolgenberechnung" aus, und behalten Sie die Filtergröße und den Filtertyp als Standard bei.
Legen Sie den Tensortyp auf Lagrange fest. Wählen Sie abschließend die Registerkarte Daten und dann ein analysiertes Bild aus, um das Oberflächendehnungsfeld zu visualisieren. Die 2D-DIC in Verbindung mit einer einachsigen mechanischen Prüfung wurde verwendet, um das Oberflächendehnungsfeld einer vaskulären Gewebeprobe bei verschiedenen deformierten Zuständen zu messen.
Die viskoelastische Natur des Gewebes zeigte sich durch den Grad der Hysterese in den niedrigen Verschiebungskurven vor der mechanischen Vorkonditionierung. Mit der Präkonditionierung wurde die Hysterese jedoch allmählich verringert. Erwartungsgemäß stiegen die lokalen Umfangsdehnungswerte mit der applizierten Probenverschiebung an.
Die Umfangsdehnung war im Allgemeinen in der Nähe der Mitte der Probe geringer als in der Nähe der Schnittstelle des Probengriffs. In Längsrichtung nahm die resultierende, ungleichmäßige Druckdehnung auf der intimen Oberfläche der Probe zu, wenn die Probe allmählich ausgedehnt wurde. Die Farbveränderungen innerhalb der Konturen für die Vollfelddehnungsmessungen zeigen deutlich die hohe Heterogenität der Aorta bei nomineller, einachsiger Zugbelastung
.Die Variationskoeffizienten der Oberflächendehnungsfelder in orthogonalen Richtungen wurden dann in jedem Versuchszustand berechnet. Es wurde festgestellt, dass die Variation der Oberflächendehnung eine umgekehrte Beziehung zur Probenausdehnung aufweist. Das hohe Maß an Heterogenität in der Materialreaktion wird in der Tabelle durch den Variationskoeffizienten (CV) quantifiziert.Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die lokale mechanische Reaktion der Oberfläche mithilfe digitaler Bildkorrelation in Verbindung mit einachsigen Zugversuchen von vaskulären Gewebeproben quantifizieren können.
Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Weichteilmechanik, um die physiologische, pathologische und modulierte mechanische Reaktion von Gefäßgewebe zu erforschen.
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Übersicht
Diese Studie beschreibt die Verwendung der digitalen Bildkorrelation zur Charakterisierung des lokalen Oberflächendeformationsfeldes an Gefäßgewebeproben, die einer einachsigen Zugprüfung unterzogen wurden. Diese Methode ermöglicht eine präzise Quantifizierung der mechanischen Reaktion der Proben und unterstützt die Erstellung von konstitutiven Spannungs-Dehnungs-Beziehungen.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Mechanik weicher Gewebe
- Biomechanik
- Gefäßgewebeanalyse
Hintergrund
- Das Verständnis der mechanischen Eigenschaften von Gefäßgeweben ist für verschiedene biomedizinische Anwendungen entscheidend.
- Die digitale Bildkorrelation ist eine berührungslose optische Methode zur Messung von Verformungen.
- Die einachsige Zugprüfung liefert Einblicke in das mechanische Verhalten von Materialien.
- Die Charakterisierung von Dehnungsfeldern kann zur Validierung von Berechnungsmodellen von Gefäßgeweben beitragen.
Zweck der Studie
- Zur Charakterisierung des lokalen Oberflächendeformationsfeldes an Gefäßgewebeproben.
- Zur Verbesserung des Verständnisses der Mechanik weicher Gewebe.
- Zur Bereitstellung von Daten zur Validierung von Berechnungsmodellen von Gefäßgeweben.
Verwendete Methoden
- Digitale Bildkorrelationstechnik.
- Einachsige Zugprüfung von Gefäßgewebeproben.
- Isolierung der Bauchschlagader aus dem umliegenden Gewebe.
- Spülen des Gefäßes mit PBS zur Vorbereitung auf die Prüfung.
Hauptergebnisse
- Präzise Quantifizierung der Heterogenität des Dehnungsfeldes auf der Probenoberfläche.
- Identifizierung der inhärenten Materialeigenschaften, die die Dehnungsreaktion beeinflussen.
- Einblicke in den Einfluss der Geometrie und Testmodalität auf die Dehnungsmessungen.
- Daten zur Entwicklung konstitutiver Spannungs-Dehnungs-Beziehungen.
Schlussfolgerungen
- Die digitale Bildkorrelationstechnik ist effektiv für die Analyse der Gefäßgewebemechanik.
- Diese Methode liefert wichtige Daten zur Verbesserung von Berechnungsmodellen.
- Das Verständnis von Dehnungsfeldern kann zu besseren Erkenntnissen über das Gewebeverhalten unter Belastung führen.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
Accurate characterization of local strain heterogeneity in vascular tissue is critical for de-risking computational models used in cardiovascular device design and preclinical safety assessment. This method enables precise quantification of mechanical behavior under physiologically relevant loading, supporting target validation in vascular pathophysiology research. By improving predictive confidence in tissue response models, it informs early go/no-go decisions in therapeutic and biomaterial development pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying local strain fields that reflect inherent material properties and pathological alterations in vascular tissue.
- Operational Value: Provides reproducible, full-field strain measurements that reduce reliance on averaged global metrics prone to error from sample heterogeneity.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by delivering high-resolution data to validate or invalidate computational models of vascular mechanics.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, spatially resolved strain outputs suitable for establishing standardized biomechanical assays in vascular tissue screening.
- Operational Value: Enables assay readiness through speckle patterning and image capture protocols that ensure consistent, high-fidelity data acquisition across samples.
- Scalability: Supports platform reuse for evaluating engineered tissues, hydrogels, or polymeric biomaterials under uniaxial loading conditions.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery-phase mechanical characterization with preclinical validation by supplying constitutive data for computational models used in device-tissue interaction studies.
- Risk-Adjusted Advancement: Quantifies strain field heterogeneity to inform safety margins and performance thresholds in vascular implant or graft development.
- Biomarker Alignment: Facilitates correlation of local strain patterns with structural or functional changes in disease-relevant vascular systems.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum by providing localized mechanical readouts that inform hypothesis testing, assay standardization, and data-driven model validation prior to lead identification and preclinical evaluation.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification and biological de-risking by revealing how geometric and material factors influence local strain distribution in vascular tissue.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative strain maps that enable reliable comparison of tissue responses across experimental conditions.
- Analytics: Generates coefficient of variation and full-field strain tensors that allow teams to quantify heterogeneity and compare mechanical phenotypes.
- Translational Research: Connects to preclinical workflows by supplying strain-derived inputs for finite element models used in implant performance prediction.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable biomechanical capability applicable to native, engineered, and polymeric soft tissues across multiple projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in tissue behavior models by capturing local strain heterogeneity missed by conventional averaging approaches.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization through calibrated speckle application, controlled image acquisition, and defined analysis parameters.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by improving early validation of computational models used in vascular therapeutic and device development.
- Portfolio Impact: Enables risk-based prioritization of vascular targets or biomaterials through objective, high-resolution mechanical phenotyping.
Implementation Considerations
- Requires expertise in biomechanical testing, image acquisition, and digital image correlation software for accurate strain quantification.
- Dependent on high-resolution camera systems, mechanical testers with precise displacement control, and tissue adhesive compatible with vascular samples.
- Necessitates cross-team standardization of speckle pattern quality, region of interest selection, and subset/step size parameters for reproducible results.
- Involves adaptation considerations when applying to varying tissue thicknesses, geometries, or material stiffnesses beyond vascular strips.
- Limited by surface accessibility and speckle adhesion quality, which may affect signal fidelity on highly elastic or delicate soft tissues.
