Summary
في هذا البروتوكول، يقدر سلالات السطحية عظم الفخذ أثناء اختبار الكسر باستخدام تقنية ارتباط الصورة الرقمية. جدة الأسلوب الذي ينطوي على تطبيق نمط البقع واللطخ العشوائية عالية التباين على سطح عظم الفخذ والإضاءة المحددة بعناية، والتقاط الفيديو عالية السرعة، وتحليل الارتباط الصورة الرقمية لسلالة العمليات الحسابية.
Abstract
ويصف هذا البروتوكول أسلوب باستخدام ارتباط الصورة الرقمية لتقدير سلالة القشرية من صور الفيديو عالية السرعة من السطح فخذي الجثة التي تم الحصول عليها من اختبار الميكانيكية. يتطلب هذا الأسلوب البصري مادة للعديد من علامات ائتمانية المتناقضة على خلفية بيضاء صلبة للتتبع الدقيق للتشوه السطحي كما يتم تطبيق تحميل للعينة. مباشرة قبل الاختبار، رسمت مع أول كتاب أبيض المستندة إلى الماء سطح الاهتمام في عرض الكاميرا ويسمح الجاف لعدة دقائق. ثم، وطلاء أسود الأرقط بعناية على خلفية بيضاء مع إيلاء اعتبار خاص لحجم وشكل القطرات حتى. الإضاءة بعناية مصممة وتعيين أن هناك تباين الأمثل لهذه العلامات مع التقليل من انعكاسات استخدام عوامل التصفية. تم الحصول على الصور من خلال التقاط الفيديو عالية السرعة في إطارات تصل إلى 12,000/s. يتم استخراج الصور الرئيسية وقد قبل ذلك الحدث الكسر وتشوهات تقدر بين إطارات متتالية في الاستجواب بدقة الحجم windows عبر منطقة الاهتمام محددة. ثم يتم استخدام هذه التشويهات لحساب التوتر السطحي وقتيا أثناء اختبار الكسر. البيانات سلالة مفيد جداً لتحديد بدء كسر في عظم الفخذ، والمصادقة في نهاية المطاف من كسر عظم الفخذ الدانية قوة نماذج مستمدة من "تحليل العناصر المحدودة" على أساس "الكمية المحسوبة التصوير المقطعي" (قكت/الهيئة الاتحادية للبيئة).
Introduction
ارتباط الصورة الرقمية (DIC) هي صورة بعد المعالجة الطريقة المستخدمة في البروتوكول الحالي لتقدير سلالة السطحية حقل كامل من العينات المأخوذة من اختبار فخذي من الوقت-تسلسل الصور التي تم الحصول عليها من خلال اختبارات ميكانيكية الكسر. التقنية وضعت أولاً وتطبيقها في تحليل الإجهاد التجريبي في ثمانينيات القرن الماضي وشهدت زيادة سريعة في استخدامها في السنوات الأخيرة1،،من23. فقد العديد من المزايا الرئيسية النهج التقليدية أكثر من تصاعد الانفعال على هيكل بما في ذلك زيادة التوزيع المكاني لحقل سلالة، الدقيقة في قياس أطوال من خلال الكاميرا زيادة الدقة، وتجنب القضايا مع قياس الضغط التصاق الغراء أو الامتثال. وميزة رئيسية لمدينة دبي للإنترنت للأنسجة البيولوجية، مثل العظام، وأنه يمكن تطبيقها على الهندسات غير النظامية تتألف من خصائص المواد غير المتجانسة عالية4،5. العيب الرئيسي فيها على أساليب اقتناء سلالة التقليدية أنه يتطلب تكلفة عالية السرعة كاميرات الفيديو القرار كافية لقياس المنطقة لمصلحة تحقيق كافية المكانية والزمانية أخذ العينات بدقة تقدير سلالة الحقول.
التطبيق الأساسي الحقول الضغوط الزمنية التي تم الحصول عليها من كسور العظام تحليل DIC التحقق من صحة تقديرات السلالة في نماذج قكت/الهيئة الاتحادية لقوة فخذي5. التحقق من صحة هذا هو محور العديد من المجموعات البحثية العظام التي يغلب استخدام القياسات عن بعد للقوة والتشريد من خلايا الحمل والتشرد محولات الطاقة6،،من78. وباﻹضافة إلى ذلك، تحليل الصور بعد كسر نمط الكسر قد اقترن بهذه القياسات عن بعد كوسيلة إضافية ل التحقق من صحة نموذج9. في الآونة الأخيرة، تم تطبيق الأسلوب DIC التحقق من صحة نموذج الهيئة الاتحادية للكسر ونشر في عظم الفخذ الدانية10الكراك. عن طريق استخدام سلالة الارتباط بين نماذج وتجارب، حتى المزيد من الثقة في صلاحية النماذج الحسابية فيمورى الدانية سيتم الحصول عليها والمضي قدما باستخدام أسلوب التشخيص قكت/الهيئة الاتحادية للبيئة أقرب إلى السريرية.
هذا العمل يشرح بروتوكول مفصل لإدراج الخطوات اللازمة لتحليل DIC في اختبار الكسر فيمورا الدانية. الإجراء وشملت خطوات إعداد العظام رش طلاء أبيض على سطح العظام والتنقيط ثم بقع سوداء على السطح الأبيض المجفف من العظام، أساليب للحصول على صور مع القرار المكانية والزمانية يكفي استخدام عالية السرعة فيديو الكاميرات، والعملية والأدوات التي استخدمناها للحوسبة حقول سلالة من هذه الصور. لقد شرحنا أيضا العديد من المحاذير التي قد تؤثر على نوعية القياسات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
جميع التجارب التي أجريت مع موافقة "مجلس المراجعة المؤسسية". تم الحصول على العينات من مختبرات الأبحاث التشريحية بالتعاون-
1-"إعداد العينات" لاختبار
- ذوبان فيمورا في RT ل 24 h.
- عندما عظم الفخذ في قائمة الانتظار للاختبار، وإزالة أي التفاف التي تم تطبيقها قبل تجميد ويمسح عظم الفخذ مع منشفة جافة لإزالة أي بقايا الرطوبة أو الرواسب الدهنية أو الأنسجة الرخوة. وعاء تروتشانتير أكبر في كأس ألمنيوم جاهزة مع أسمنت العظام.
- باستخدام مربع تحتوي على الجسيمات، قدر الإمكان، رش العظام مع التمهيدي البلاستيك الأبيض لتحقيق طلاء رقيقة وموحدة. الحرص على تغطية العظام مع طبقة موحدة واحدة من الطلاء لقوى الالتصاق إلى السطح عظم الفخذ وعلى النقيض الأمثل.
ملاحظة: قد لا يقاس السمك. - ترك الطلاء الجاف لمدة 5 دقائق على الأقل. وهذا أمر هام لتجنب خلط غير مقصودة مع قطرات الأرقط في القسم 2-
- التفاف العظام بقطعة قماش رطبة لتجنب جفاف الأنسجة.
2. عملية التنقيط
- تقريبا، إضافة جزء 1 من الماء إلى 2 أجزاء من الطلاء التنقيط أفضل في العظام. إضافة الماء تدريجيا (لخليط أفضل) لطلاء اﻷكريليك لجعل لون أسود.
- تراجع فرشاة أسنان نظيفة في لوح ألوان الطلاء الأسود امتصاص اللون ونفض الغبار الفرشاة جعل البقع السوداء على الطلاء الأبيض.
- ترك الطلاء الجاف لمدة 5 دقائق قبل المتابعة.
3. التقاط صور
- جبل عظم الفخذ الأرقط المعدة في جهاز الاختبار الميكانيكية عن طريق إدراج نهاية القاصي أصيص في المباراة وتشديد مسامير اثنين لتأمين العينة.
- ضبط عاكسات الضوء التفريغ عالية الكثافة اثنين يحقق السطح عظم الفخذ أعلى الإضاءة ممكن مع تجنب تأملات في صورة الكاميرا. المضي قدما بسرعة باستخدام الخطوات التالية في المقطع 3 لتجنب التدفئة غير المرغوب فيها من العينة من الإشعاعات الخفيفة قبل test.
- تقلل الفتحة من الجزء الأمامي والخلفي عرض عدسات كاميرا الفيديو عالية السرعة مثل أن المنطقة بأسرها من الفائدة من عظم الفخذ في مجال الرؤية في التركيز-
- تعدل عاكسات الضوء على مواصلة تحسين الإضاءة مع تقليل الوهج.
- تعيين برنامج اقتناء الصور لالتقاط 6000 الإطارات في الثانية بدقة 1024 × 512 بكسل. تعيين العدد الإجمالي لإطارات يتم الحصول عليها بعد تلقي إشارة المشغل إلى 12288. ذراع برامج الفيديو عالية السرعة للحصول على الصور عند تلقي إشارة المشغل من نظام الاختبار. عند اكتمال اختبار الفيديو الموجودة في الكاميرا ' ذاكرة المخزن المؤقت s-
- استخدام برنامج اقتناء الصور، حفظ الفيديو على القرص بتحديد اسم الملف والمسار المطلوب والنقر فوق " حفظ ". تكون على استعداد للانتظار بين 5-40 دقيقة لهذه العملية لإكمال اعتماداً على عدد الإطارات ليتم حفظها.
4. صورة إعداد
- إنشاء الدلائل العامل منفصلة لطرق العرض الأمامي والخلفي لعظم الفخذ.
- استخدام برمجيات تحليل أشرطة الفيديو لفتح تسجيل الفيديو عالية السرعة المناسبة وملاحظة الأرقام المرجعية إطار المفتاح في 1) بدء تحميل الإطار المحرك للحركة، والإطار 2) فورا بعد الحدث الكسر.
- إلى اختزال تسلسل صورة TIFF غير مضغوط من الفيديو عالية السرعة، بفتح وتشغيل " mov_frames.m " البرنامج النصي في دليل العمل لجانب عظم الفخذ ذات الصلة-
- في مربع الحوار الناتج، أدخل رقم الإطار النهاية المحددة في "الخطوة 4، 2" بحجم خطوة من 25-40. انقر فوق " "استخراج الإطارات" " وتفقد دليل العمل لضمان استخرجت الملفات *.tiff بشكل صحيح.
5. إنشاء شبكة عنصر المحدودة
- الاستخدام الخارجية الربط بين العناصر المحدودة برنامج لإنشاء شبكة العناصر المحددة. حساب سلالات 2D من ناقلات التشريد التفاضلية بطريقة العناصر المحدودة. استيراد الصورة الأولى *.tiff المستخرجة إلى المعالج قبل برامج العناصر المحدودة كقالب لإنشاء المفتاح.
- تجد اثنين من السهل تحديد النقاط الائتمانية في الصورة الموجودة في زوايا الإطار الآخر وتسجيل إحداثياتها X و Y (هذه ستستخدم في نهاية المطاف في الخطوة 6-1). هذه الإحداثيات تعسفية استناداً إلى الاتفاقية يستخدم البرنامج الهيئة الاتحادية للبيئة لاستيراد الصورة *.tiff. سيتم استخدام إحداثيات هذه النقاط لتسجيل عقد شبكة العناصر المحددة مع بكسل المقابلة من صور الفيديو في "خطوة 6-2"-
- في برامج تحرير صور، افتح نفس الصورة التي تم استيرادها إلى preprocessor برامج العناصر المحدودة وتسجيل قيم اتجاه X و Y المرتبطة بالنقاط المحددة في الخطوة 5، 2 بكسل. وسوف تستخدم هذه في نهاية المطاف في "الخطوة 6-1"-
- في " رسم " الوحدة النمطية لعنصر محدد تشبك البرنامج، استخدم أداة الشريحة رسم مقطع مغلقة تمثل منطقة الاهتمام. تحقق من المنطقة ليس كبير جداً بحيث أن سطح العظام ستنتقل خارج المنطقة مسبقة للكسر بسبب تناوب.
- إعداد القسم المغلقة التي تم إنشاؤها في "الخطوة 5، 4" للربط ببذر الحواف مع حجم شبكة عالمية من 1 ملم تحت القائمة " "البذور جزء مثيل" ".
- تحت " تعيين عناصر مش "، تعيين الشكل عنصر إلى الرباعي.
- مش القسم مغلقة.
- تصدير الشبكة إلى ملف ASCII من قاعدة بيانات شبكة تتألف من إحداثيات العقدي وتعريفات العنصر.
- مع عنصر محدود الإدخال الملف الناتج مفتوحة في محرر نص، نسخ كتلة العقدة التي تحتوي على أرقام العقدة والاحداثيات في ملف نصي جديد وحفظ باسم " nodes.txt ". تكرار لكتلة العنصر، وحفظ الملف النصي الجديد ك " elements.txt ".
6. سجل "مش الحديد" مع صور الفيديو عالية السرعة وإجراء تحليل الارتباط الصورة الرقمية
- داخل جلسة عمل جديدة، قم بإنشاء صف 2-عنصر نواقل تسمى ab1 و ab2 مع القيم التي تم تحديدها في "الخطوة 5، 2".، و px1 و px2 مع القيم المحددة في الخطوات 5.3 بكتابة هذه الأسماء متجه على سطر الأوامر. حفظ مساحة العمل ك " points.mat ".
- تشغيل البرنامج النصي " convert_imagesize.m " لتسجيل النقاط من شبكة العناصر المحددة مع صورة الفيديو عالية السرعة المستخرج. تشغيل البرنامج النصي من
- " rrImageTrackGui.m ". تحميل الصورة الأولى (" p01.tif ") وأدخل رقم الملف *.tiff الأخيرة التي تم استخراجها كإجمالي عدد الصور عملية-
- تحميل الشبكة التي تم إنشاؤها في "الخطوة 5، 7" بالتأكد من خيار شبكة يتم تعيين إلى " القراءة من الملف " انقر فوق " قبول ". مش عنصر محدد يجب أن تظهر على الصورة العظام.
- بتحديد القيم تتبع على أساس المبادئ التوجيهية التالية لتتبع معلمات وانقر فوق " المضي قدما " (مع الأخذ في الاعتبار أن قيم المعلمة هي حجم الصورة والملمس ومقدار التشوه تجري، وتحتاج إلى اختبار بعناية على أساس حالة بحالة)-
حجم النواة
- الاستخدام ابتداء 21. هو حجم النواة، ن، س حجمو n x نافذة n (حيث n عدد فردي) بكسل المستخدمة للارتباط عبر وتصميم ناقل تشوه لهذا المجال الذي سيتم استخدامه لحسابات السلالة.
- استخدام حجم Subpixel ابتداء من 4. حجم Subpixel، m، هو الحجم (2 م + 1) × (2 م + 1) النافذة الفرعية عبر subpixel التي تشوه يتم حسابها بواسطة افتراض سلالة متجانسة في هذا الإطار الفرعي.
- استخدام عامل نعومة ابتداء من 2. معامل النعومة هو مقدار التنعيم المطبق على الحقل التشرد في مواقع المتعقبة قبل الحوسبة سلالات.
- استخدام عامل ماكسموفي ابتداء من 10-عامل ماكسموفي وهو الحد الأقصى لعدد وحدات البكسل التي يمكن أن تكون أي عقده بعيداً عن مساره بالنسبة لجارتها ' مسار s. يساعد هذا في تجنب تعقب سيئة للتشوه.
- استخدام عامل سموثجريد بدءاً من 15. عامل سموثجريد وهو حجم الشبكة (خشونة قليلاً من شبكة العقد المتعقبة) الذي يستخدم لتنعيم-
- تحديد نقطة دليل يحتوي على تناقض كبير حوله مع تجنب المناطق مع أي وهج أو التشويش. التحقق من هذه النقطة بواسطة النقر فوق " دليل الاختيار " وتحقق من ذروة علاقة قوية (على الأقل ضعف السعة) مقارنة بجيرانها. انقر فوق " قبول " و " "إجراء تتبع" " وعندما يطمئن. وهذا يمكن أن يكون عملية حسابية طويلة حيث يتم حسابها التشرد التفاضلية للتسلسل الزمني الصورة. انتهت
- بعد 6.6 الخطوة، انقر فوق " تحريك ". عند تحريك الانتهاء، انقر فوق " كتابة سلالات (برامج معالجة آخر) "، أدخل *.exe ثم قم بتحديد writeStrainRR_simple.exe 11. وهذا حساب السلالات. قم بإغلاق واجهة المستخدم الرسومية-
7. بعد المعالجة من التشرد وبيانات سلالة
- للحصول على سلالة مقابل رقم الإطار، تشغيل " analyzeFailurePrecursor.m " من سطر الأوامر مع وسيطة إدخال من حجم الخطوة (اختيار 20-30). القمم ستعني الضرر العظام، وذروة أكبر سوف تتوافق مع الإطار قريبة من الفشل العظام العالمية-
- لإنشاء ملفات الأفلام من السلالات، قم بتشغيل " makeMovies.m " من إطار الأوامر باستخدام الوسائط (نومفارس، اندستيب، والعلم)-
ملاحظة: يتم تعريف نومفارس الوسيطة كما يتم 1-3 التشريد، 4-6 يجري xx و yy xy سلالة المكونات، 7 & 8 هي الرئيسية اثنين وفون ميزس السلالة، وهو 9 الطاقة ضغطاً. اندستوب الحجة هو الإطار الأخير لإدراجها في الفيلم.- تعيين العلامة الوسيطة الاختيارية إلى 1 لإنشاء أفلام للكيان المحدد لوسيطة نومفارس فقط وإلى 0 لإنشاء أفلام من كافة المتغيرات.
8. ضبط وتحسين النتائج بشكل جيد
تتبع- DIC إذا أعطت النتائج السيئة مثل حقل سلالة المتقطعة التي تقع خارج افتراضات الميكانيكا الاستمرارية، وتحديد ما يحدث والسبب هو عدم التتبع. كرر القسم 6 مع إيلاء اهتمام خاص للتعديل من تتبع المعلمات. قد يكون خيار ثانوي للعودة إلى البرنامج العناصر المحدودة وإنشاء شبكة موحدة أكثر وربما أدق. تتبع
- DIC إذا أعطت نتائج معقولة، وإنشاء سلسلة أدق من الصور لمدينة دبي للإنترنت. باستخدام هذه الأرقام المرجعية لإطار المفتاح من 4.2 الخطوة ومعدل الإطار المقابل للفيديو، تحديد المسافة بين الإطارات لثلاثة أنظمة مختلفة للفائدة في اختبار الكسر مع اشتراط مراعاة أن النقاط التي ينبغي أن تتحرك لا يزيد عن 6 بكسل بين إطارات.
ملاحظة: للجزء الأول من الاختبار عند السلالات هي بناء ببطء في عظم الفخذ، تباعد الإطار سوف تكون كبيرة نسبيا (على سبيل المثال، معدل التشرد 100 ملم/s، المسافة بين الإطارات لهذا الجزء ميكروثانية 3333). في الجزء المتوسط من الاختبار أقرب إلى كسر الإطار، ضغطاً يتزايد بسرعة أكبر وأصغر من المسافة بين الإطارات اللازمة (1667 ميكروثانية معدل التشرد 100 ملم/ثانية). للجزء الأخير الحق قبل الكسر، المسافة بين الإطارات في به أصغر (16.7 ميكروثانية معدل التشرد 100 ملم/s)- - اختياري للوثائق أغراض فقط: استخدام المعلومات من الخطوة 8، "2" إنشاء البيانات المنسقة إدخالات في ملف ASCII بعنوان " steps.txt " الذي يحتوي على صف واحد من البيانات لكل المسافة بين الإطارات. تنسيق كل صف سوف يكون الإطار انطلاق هذا النظام مفصولة بعدد الإطارات تخطي (استناداً إلى 8.2 خطوة) مفصولة بنقطتين ثم الإطار النهائي لذلك النظام (أي شكل " 1:20:200 " سيوعز إلى الاستخراج برنامج لاستخراج الإطار 1 لإطار 200 في خطوات 20)-
يلي
- فورا أن التعيين، إدراج علامة جدولة، وتعين استخراج الصورة رقم مجموعة (" 1:20:200 " المثال، سيكون تحديد صف كامل " 1:20:200 < اضغط TAB > 01:11 " دون الاقتباسات). تكرار للأخريين اختبار النظم حيث سيكون هناك ثلاثة صفوف من معلومات في " steps.txt " ملف. هذا الملف بمثابة سجل لكيف تم استخراج الصور من الفيديو عالية السرعة الأصلية-
- تشغيل التعليمات البرمجية mov_Frames.m مرة أخرى في هذا الوقت تحديد متعددة الأنظمة تباعد الإطار في مربع الحوار. قم بإدخال الأرقام الإطار والخطوة الأحجام المحددة في "الخطوة 8، 2" تحديد البدء والانتهاء، ومعلمات تخطي الإطار المتوقع في الأداة ' s مربع الحوار. سيتم الكتابة فوق تأكد من القيام بذلك في دليل جديد خلاف الصور الأصلية-
- تكرار الأقسام 6 و 7، واستعراض نتائج للتحسين. وقد يتطلب كل عظم الفخذ تكرارات إضافية مختلفة تبعاً للطبيعة الحدث الكسر ونمط البقع واللطخ، والإضاءة. عند تكرار الخطوة 6.5، الاحتفاظ بالإعدادات نفسها باستثناء الحد ماكسموفي إلى 6 (من 10)-
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
قبل عملية سبيكلينج، ويتم تنظيف عظم الفخذ من أنسجة لينة والدهون الزائدة، وهو محفوظ بوعاء trochanter أكبر في كأس ألمنيوم. أثناء تجميد polymethylmethacrylate (البولي ميثيل ميثا اكريلات)، ملفوفة في قطعة من قماش غارقة مالحة لتجنب جفاف أنسجة العظام. مرة واحدة هو توطد البولي ميثيل ميثا اكريلات، يتم تنظيف العظام مرة أخرى الحق قبل الرش (الشكل 1). ثم رش سطح العظام أو ناعم مع لون أبيض بلاستيك المستندة إلى الماء. مرة واحدة المجففة، السطح الأبيض منقط باللون الأسود ليكون نمط عشوائية من بقع سوداء على خلفية بيضاء (الشكل 2). حالما يتم وضع العظام في المباراة الاختبار، يتم تعيين أضواء وكاميرات الفيديو عالية السرعة، وعلى النقيض الأمثل للنمط وتركيز الكاميرات يتم التحقق من قبل الاختبار (الشكل 3). يتطلب الأسلوب DIC تباين العالي التنقيط نمط والإضاءة الكافية. خلاف ذلك، يمكن أن تتأثر النتائج عدة قضايا مثل أوفيرساتوريشن السطح والتباين الفقراء، والصور القاتمة (الشكل 4). الصور غير مضغوط من أشرطة الفيديو عالية السرعة قادرة على استخراج في نظم أخذ العينات الزمنية متعددة والخوارزميه تتبع مدينة دبي للإنترنت يمكن أن تعمل من خلال واجهات المستخدم الرسومية (الشكل 5). يتم استخدام الخطوط العريضة لنموذج عظم الفخذ لتحديد منطقة الفائدة لسلالة ميدان تقدير (الشكل 6A) وإنشاء شبكة العناصر المحددة لحساب الضغط (الشكل 6B). تم الكشف عن بداية كسر برصد درجة الانحراف سلالة أثناء الاختبار، مع قمم تمثل تلف العظام والإطار الزمني لكسر (الشكل 6). وأخيراً، يتم فرضه حقول سلالة 2D يعيدوه الصورة العظام التي لم يتم اختبارها من أجل تعزيز التصور (الشكل 6).
الشكل 1 : العظام إعداد قبل طلاء العظام. (أ) تنظيف العظام من الدهون والرطوبة بعد يجري مذاب؛ (ب) بوتينغ trochanter أكبر؛ (ج) التنظيف قبل عملية الرش الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 2 : عملية الطلاء. مدينة دبي للإنترنت (أ) تعمل في المنطقة والأدوات اللازمة؛ (ب) الرش العظام مع أول كتاب أبيض؛ (ج) بالفرشاة بيضاء اللون على سطح العظام؛ (د) التنقيط البقع السوداء على سطح العظم الأبيض؛ (ﻫ) سطح الأرقط النهائي لعظم جاهز للاختبار الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3 : الإضاءة وإعدادات الكاميرا. (أ) إعداد ومصابيح والدروع؛ (ب) إعداد كاميرات الفيديو عالية السرعة؛ (ج) عينة العظام تحميلها إلى جهاز الاختبار مع الأضواء والكاميرات جاهزة للاختيار والاختبار؛ (د) فحص الصور للأداء الوظيفي للكاميرات؛ (ﻫ) دراسة مجال الاهتمام، في عنق الفخذ، لتركز المناطق، عمق الميدان، وعدم طمس، ونوعية الصور العامة لمدينة دبي للإنترنت الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 4 : العظام المحاذير DIC. (أ) أوفيرساتوريشن في منطقة الرأس؛ (ب) خلط وتتدفق من الأبيض والأسود عند السطح الأبيض ليس الجافة؛ (ج) ضعف التباين، أوفيرساتوريشن المحلية، والفقراء من الوضوح للصورة الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 5 : مخصص "البرمجة الحوارات" التي استخدمت في تجهيز DIC. (أ) mov_frames.m، rrImageTrackGui.m (ب)، (ج) إنشاء شبكة 2D الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الرقم 6 : مثال للنتائج المتوسطة DIC. الشريحة (أ) الانتباه إلى تسليط الضوء على شبكة المنطقة موضع الاهتمام، (ب) إنشاء مضافين على صورة العظام، والانحرافات السلالة (ج) كدالة لإطار الفيديو عالية السرعة، (د) سلالة المحسوبة كفاف الأرض المرتبطة مع 2 اختبار الصور قبل كسر عظم الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
قدمنا بروتوكول لاستمرار إعداد عينات فخذي لتصوير عالي التباين خلال كسر التجارب التي استخدمت ثم لتقدير توزيعات سلالة الميداني الكامل مع مدينة دبي للإنترنت. كفل هذا البروتوكول مادة التباين المناسب الأسود تتبع البقع على خلفية بيضاء صلبة على سطح العظم. في أعقاب هذا البروتوكول، نحن منسوخة بنجاح تقدير سلالات استخدام تحليل DIC لتسعة وثمانون فيمورا.
DIC هو أسلوب بصري الذي ينطوي على وضع شبكة عبر سلسلة من الصور التي استولت عليها كاميرات الفيديو عالية السرعة وتعقب التغييرات كثافة بكسل بين الإطارات باستخدام خوارزمية عبر الارتباط. خلال هذه التجارب، وجدنا العديد من الاعتبارات التي يجب أن تؤخذ في الاعتبار لدقة ومتانة الأسلوب، وترد هذه التفاصيل في البروتوكول عرضت بالتفصيل. أولاً، وجدنا الحساسية ودقة الكاميرات ذات أهمية كبيرة للقياسات المكانية سلالة من الفائدة. وثانيا، ينبغي تجنب نسيج دقيق جداً من العلامات السوداء المتناقضة على السطح الأبيض كما أنها قد لا تكون مرئية بالنسبة للكاميرات. ثالثا، يجب تعيين الكاميرات والإضاءة على مسافات ملائمة لضمان حجم الفتحة الأمثل للعمق من الميدان، والجودة، وعلى النقيض من الصور. الإضاءة المفرطة قد يؤدي إلى تشبع الصور الناتجة في المقابل الفقراء. وأخيراً، المسافة الزمنية بين الصور يحتاج إلى يمكن تعيين أن تلامس السطح لا تقم بتحريك أكثر من 6 بكسل بين الإطارات حيث أن تتبع يتم التقاطها بدقة أثناء عبر الارتباط.
كما هو موضح في هذا العمل، DIC لديها القدرة على توفير تقديرات سلالة التسلسل الزمني الحقل الكامل لاختبارات كسر عظم الفخذ، شيء ليس من السهل الحصول عليها مع تقنيات تجريبية قياس الضغط. على الرغم من أن القياسات قياس الضغط وقد استخدمت عدد من الباحثين، هذه القياسات يمكن أن يعوق تصاعد عدم كفاية الالتصاق على سطح العظم، وقياس التكييف، و توزيع المكاني محدود12،13. على النقيض من ذلك، سلالة كاملة-حقل بيانات مفيدة للغاية للتحقق من صحة نماذج قكت/الهيئة الاتحادية لقوة العظام بمقارنة الحقول سلالة بين نموذج والاختبار، وله أيضا التطبيق السريري للربط بين أنواع كسر الفخذ مع نمط سلالة التنمية على السطح من عظم الفخذ لهذا الخريف الفسيولوجية تحميل القضية5،9. بينما المباراة الامتثال يمكن أن يكون مشكلة عند اختبار فيمورى قاسية جداً، DIC تلتف هذه المسألة بحساب اجهادات اللحاء مباشرة من تشوهات العظام المحلية وبالتالي، القضاء على الامتثال لاعبا أساسيا كمصدر لأخطاء عند تقدير صلابة فخذي . قد تساعد النتائج من هذه الارتباطات الصورة في وضع أفضل نماذج قكت/الهيئة الاتحادية للبيئة بما في ذلك فشل المادية والمقاييس للتلف والكسر. وهذه يمكن أن تساعد في نهاية المطاف دليل العلاج بقرارات خاصة بالنسبة لمرضى العظام هشاشة.
يكون الأسلوب العديد من العيوب، ومع ذلك. يجب أن تغطي سطح العينة العظام موحد مع نمط البقع واللطخ عشوائية التي قد تباين عال مع الخلفية. أحياناً يمكن أن يغير الأفكار من تشوهات كبيرة أو الإضاءة قدرة الخوارزمية لتتبع النمط التحديد من الإطار إلى الإطار (الشكل 4). القيد ثاني عندما تستخدم كاميرا واحدة (2D) مدينة دبي للإنترنت، ويمكن أن تتأثر حسابات الإجهاد حيث ينحرف الطائرة سطح العظام من يجري بالتوازي مع صورة كاميرا استشعار الطائرة14. يمكن أن يحدث هذا عند السطوح فخذي تدوير نحو أو بعيداً عن الكاميرا أثناء اختبار الكسر. ونحن نستكشف العمل المستقبلي في هذا المجال لإضافة كاميرا ثانية والاستفادة من أساليب DIC ثلاثية الأبعاد لتحسين دقة. حتى وقت قريب، مثل هذه الأساليب كانت بعيدة المنال في إعداد بحوث ولكن أصبحت الآن متاحة بسهولة أكبر. قيد آخر طريقة محددة للأنسجة البيولوجية هو عدم التيقن التصاق الطلاء على السطح عظم الفخذ. بملاحظاتنا، وهذا ليس هو قضية في تجاربنا، ولكن أي انزلاق لنسيج عظم الفخذ والطلاء سوف تؤثر على النتائج. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتداخل أي أنسجة غير العظام خلفها أثناء إعداد العظام مع قياسات الضغط اللحاء. وأخيراً، إعدادات تتبع الصورة، وكثافة شبكة هي العوامل التي قد تؤثر على جودة النتائج من خلال تحليل DIC وتحتاج إلى النظر بعناية.
ويقدم البروتوكول الحالي أسلوب كفاءة واستمرار إعداد العينات فخذي لتحليل الارتباط الصورة الرقمية وتقدير للحقول المقابلة من سلالة من تصوير كاميرا عالية السرعة أثناء اختبار الكسر. وقد ثبت في المختبر يحقق الاتساق عبر الأطر الزمنية اختبار متعددة، ومع موظفي البحوث متفاوتة ومشغلي أكثر من سنة 6 الفترة الزمنية. يمكن توسيع إجراءات DIC المقدمة هنا لإعداد فخذي واختبارها بسهولة إلى سائر أنواع العظام.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب قد لا الكشف عن البيانات ذات الصلة.
Acknowledgments
المؤلف يود أن يشكر المواد والهيكلية الأساسية اختبار في "عيادة مايو كلينيك" لدعمها التقني لأداء اختبار الكسر. وبالإضافة إلى ذلك نود أن نشكر راغوباثي راميش وإيان جيرستيل لمساعدتها في تطوير البرامج النصية DIC والتفاصيل المحددة للبروتوكول DIC أثناء خدمتهم في "عيادة مايو كلينيك"، وفيكتور Barocas مجموعة الأبحاث، جامعة مينيسوتا البرمجيات المفتوحة المصدر الأساسي الذي يقوم بجوهر العمليات الحسابية سلالة ارتباط الصورة الرقمية11. هذه الدراسة كان يدعمها ماليا في "الصندوق الابتكار غرينجر" من مؤسسة غرينجر.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Krylon plastic primer white | Krylon, Peoria, AZ, USA | N/A | Used as a base coat for a smooth white finish on bone surface |
| Water-based acrylic white and black paint | Plaid Enterprises (Ceramcoat), Norcross, GA, USA | N/A | Paint source for white and black colors |
| Mixing bowl | Not specific (generic) | N/A | Used to mix and prepare paint |
| Foam brush | Linzer Products, Wyandanch, NY, USA | N/A | Used to apply paint on bone surface |
| Toothbrush | Colgate-Palmolive, New York, NY, USA | Firm bristle | Used to apply appropriate size and distribution of speckling pattern |
| Hygenic Orthodontic Resin (PMMA) | Patterson Dental, St Paul, MN, USA | H02252 | Controlled substance and can be purchased with proper approval |
| Kenmore Freezer | Sears Holdings, Hoffman Estates, IL, USA | N/A | Used to maintain a -20oC storage enviroment for bone specimens |
| Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride) | Baxter Healthcare, Deerfield, IL, USA | NDC 0338-0048-04 | Used for keeping specimens hydrated |
| Scalpels and scrapers | Aspen Surgical (Bard-Parker), Caledonia, MI, USA | N/A | Used to remove soft tissue from bone specimens |
| Fume Hood | Hamilton Laboratory Solutions, Manitowoc, WI, USA | 70532 | Used for ventilation when preparing PMMA for potting of specimens |
| Lighting units | ARRI, Munich, Germany | N/A | Needed for illumination of target for image capture |
| High-speed video camera | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Photron Fastcam APX-RS | Used to capture the high speed video recordings of the fracture events |
| Photron FASTCAM Imager and Viewer | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Ver.3392(x64) | Used to record and view the high speed video recordings |
| Camera lens | Zeiss, Oberkochen, Germany | Zeiss Planar L4/50 ZF Lens | Needed for appropriate image resolution |
| ABAQUS CAE | Dassault Systemès, Waltham, MA, USA | Versions 6.13-4 | Used for defining region of interest and creating finite element mesh |
| MATLAB | Mathworks, Natick, MA, USA | Version 2015b | Used for image processing and DIC analysis |
| TecPlot | TecPlot Inc., Bellevue, WA | Used for post processing of strain fields | |
| Strain Calculator Software | Victor Barocas Research Group, University of Minnesota, Minneapolis, MN, USA | http://license.umn.edu/technologies/20130022_robust-image-correlation-based-strain-calculator-for-tissue-systems | Used to calculate strain field |
| mov_frames.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to downsample uncompressed images from high speed video files |
| convert_imagesize.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to register image pixel coordinates with mesh coordinates |
| rrImageTrackGui.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to perform the image cross-correlation to obtain deformations and run Strain Calculator |
| analyzeFailurePrecursor.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to track the peak strain components temporally |
| makeMovies.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to create portable *.avi movies of the deformation components, strain components, principal strains, von Mises strain, and strain energy |
References
- 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 Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. Adv of Opt Methods in Exp Mech. 3, (2009).
- Grassi, L., et al. How accurately can subject-specific finite element models predict strains and strength of human femora? Investigation using full-field measurements. J Biomech. 49 (5), 802-806 (2016).
- Den Buijs, J. O., Dragomir-Daescu, D. Validated finite element models of the proximal femur using two-dimensional projected geometry and bone density. Comput Methods Programs Biomed. 104 (2), 168-174 (2011).
- Keyak, J. H., Rossi, S. A., Jones, K. A., Skinner, H. B. Prediction of femoral fracture load using automated finite element modeling. J Biomech. 31 (2), 125-133 (1998).
- Lotz, J. C., Cheal, E. J., Hayes, W. C. Fracture Prediction for the Proximal Femur Using Finite-Element Models . 1Linear-Analysis. J Biomech Eng-T Asme. 113 (4), 353-360 (1991).
- Cody, D. D., et al. Femoral strength is better predicted by finite element models than QCT and DXA. J Biomech. 32 (10), 1013-1020 (1999).
- Dragomir-Daescu, D., et al. Robust QCT/FEA models of proximal femur stiffness and fracture load during a sideways fall on the hip. Ann Biomed Eng. 39 (2), 742-755 (2011).
- Bettamer, A., Hambli, R., Allaoui, S., Almhdie-Imjabber, A. Using visual image measurements to validate a novel finite element model of crack propagation and fracture patterns of proximal femur. Comput Methods Biomech Biomed Eng Imaging Vis. , 1-12 (2015).
- Raghupathy, R., Barocas, V. Robust Image Correlation Based Strain Calculator for Tissue Systems. , http://license.umn.edu/technologies/20130022_robust-image-correlation-based-strain-calculator-for-tissue-systems (2016).
- Taddei, F., et al. Subject-specific finite element models of long bones: An in vitro evaluation of the overall accuracy. J Biomech. 39 (13), 2457-2467 (2006).
- Grassi, L., et al. Accuracy of finite element predictions in sideways load configurations for the proximal human femur. J Biomech. 45 (2), 394-399 (2012).
- Gerstel, I., Raghupathy, R., Dragomir-Daescu, D. Digital Image Correlation Identifies Quantitative Characteristics in Proximal Femur Fracture Crack. ORS Annual Mtg. , (2012).
