Articolo metodologico

Utilizzo di Digital Image Correlation per caratterizzare ceppi locali vascolari campioni di tessuto

DOI:

10.3791/53625

⸱

24 gennaio 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1Biomedical Engineering Program, University of South Carolina, 2Department of Mechanical Engineering, University of South Carolina

In questo articolo

Sommario

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Descriviamo l'uso della correlazione di immagini digitali per caratterizzare il campo di deformazione superficiale locale su campioni di tessuto vascolare sottoposti a prove di trazione uniassiale. Queste misure facilitano la quantificazione precisa della risposta meccanica del campione e la generazione di relazioni costitutive sforzo-deformazione.

Abstract

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La caratterizzazione del comportamento meccanico dei tessuti molli biologici e ingegnerizzati è una componente centrale della ricerca biomedica fondamentale e dello sviluppo del prodotto. Le relazioni sforzo-deformazione sono tipicamente ottenute dai dati dei test meccanici per consentire una valutazione comparativa tra i campioni e, in alcuni casi, l'identificazione delle proprietà meccaniche costitutive. Tuttavia, l'uso di misure di deformazione media può introdurre errori, in quanto una significativa eterogeneità nel campo di deformazione può derivare dalla non uniformità geometrica del campione e dalle concentrazioni di sollecitazione indotte dal montaggio/presa di tessuti molli all'interno del sistema di prova. Quando l'eterogeneità del campo di deformazione è significativa, una valutazione accurata della risposta meccanica del campione richiede la misurazione delle deformazioni locali. Questo studio dimostra un nuovo protocollo di test biomeccanici per il calcolo delle deformazioni superficiali locali utilizzando un dispositivo di test meccanico accoppiato con una fotocamera ad alta risoluzione e una tecnica di correlazione di immagini digitali. Una serie di immagini della superficie del campione vengono acquisite e quindi analizzate per quantificare la deformazione superficiale locale di un campione di tessuto vascolare soggetto a carico uniassiale a rampa. Questo approccio può migliorare l'accuratezza nella biomeccanica vascolare sperimentale e ha il potenziale per un uso più ampio tra altri tessuti molli nativi, tessuti molli ingegnerizzati e materiali idrogel/polimerici morbidi. Nel video, dimostriamo come impostare i componenti del sistema ed eseguire un esperimento completo sul tessuto vascolare nativo.

Introduzione

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Una storia ricca di ricerca che dura da oltre 50 anni, è stata focalizzata sulla quantificazione delle proprietà meccaniche dei tessuti vascolari. Questi studi ci permettono di capire meglio sia il comportamento fisiologico e patologico dei vasi sanguigni, forniscono una base per valutare l'efficacia / compatibilità dei dispositivi endovascolari, e l'aiuto nella progettazione e fabbricazione di vascolare ingegnerizzato costrutti 1-6. La misurazione accurata della risposta meccanica dei tessuti molli e la modellazione costitutiva delle loro caratteristiche meccaniche è intrinsecamente difficile a causa della meccanica eterogeneità anisotropia, e non linearità esibito dalla maggior parte dei tipi di tessuto. Inoltre, le misure sperimentali sono spesso confusi dalla complessità locale introdotto alle interfacce campione presa nel corso di prove meccaniche (cioè, la piegatura, l'attrito, le concentrazioni di sollecitazione, lacrimazione) e l'inevitabile passaggio di proprietà meccaniche volta tessuto viene asportato dal animale vivente.

Un esperimento trazione uniassiale è tra i più semplici prove meccaniche che possono essere eseguite su un campione costituito da un materiale solido, ed è spesso usato per valutare la risposta meccanica del tessuto vascolare. I risultati di questi esperimenti forniscono informazioni preliminari utili per entrambe le fonti tissutali native e artificiali, e possono essere utilizzati per confrontare gli effetti di alcuni trattamenti, stati di malattia, o composti farmacologici sul comportamento meccanico della parete vascolare 7-11.

Monoassiale prove meccaniche dei tessuti molli viene in genere eseguito su campioni con geometrie relativamente omogenee, che sono più comunemente cane ossa o forma 7,8,12-14 anello. Tuttavia, allontanamento significativo da queste geometrie idealizzate può verificarsi a causa di sfide connesse con la dissezione dei tessuti, l'isolamento, e di bloccaggio all'interno del sistema di prova. Qualsiasi non uniformità nella geometria in ultima analisi, fonte di stress e tensione eterogeneicampi quando il campione è sottoposto ad estensione uniassiale, con il grado di eterogeneità dipende forma effettiva del campione, nonché le dimensioni del campione (rispetto alle impugnature) e le proprietà meccaniche del materiale 9,15,16. Quando eterogeneità di campo sono significativi, i calcoli di deformazione del campione sulla base delle posizioni di presa relative sono imprecise e quindi una base sufficiente per valutare il comportamento meccanico.

Sistemi di analisi video sono stati ampiamente utilizzati per misure di deformazione dei tessuti molli, spesso utilizzando ad alto contrasto marcatori colorante applicato alla superficie del campione 17,18. Correlazione digitale delle immagini, una tecnica metrologico ottico che misura pieno campo di deformazione superficiale confrontando i valori di intensità di livello di grigio sulla superficie del campione prima e dopo la deformazione, è stato usato in combinazione con il video analisi dei tessuti molli 19-21. Ci sono diversi vantaggi di correlazione dell'immagine digitale rispetto a interferometrMetodi ic che possono essere impiegati per le misurazioni. In primo luogo, come una tecnica di misurazione senza contatto, minimizza gli effetti confondenti di modificare le proprietà del materiale a causa del modo in cui il sistema di misurazione colpisce il campione. In secondo luogo, esso richiede un ambiente molto meno rigorose misura e che presenti una più ampia gamma di sensibilità e risoluzione rispetto ad altri metodi. Terzo, dotata della capacità di catturare un intero campo visivo, questa tecnica può caratterizzare sia la media e le risposte meccaniche locali. Per una spiegazione dettagliata del metodo, i lettori sono invitati a vedere il libro di Sutton 22.

Per ottenere campi di deformazione sulla superficie del campione, una tecnica bidimensionale immagine correlazione digitale (2D-DIC) può essere utilizzato. In breve, le immagini del campione vengono acquisiti a stati caricati scaricati e vari. La prima immagine è suddivisa in piccoli quadrati chiamati sottoinsiemi (M × M pixel) che formano una rete per il successivo calcolo delCampi di deformazione 2D. La posizione di ogni quadrato nel campione deformato viene ottenuta utilizzando un algoritmo immagine corrispondente. Il movimento di ogni quadrato viene poi monitorato, immagine per immagine, ottenendo campi di spostamento che possono poi essere utilizzati per ricavare gradienti di deformazione e le tensioni attraverso una varietà di metodi, tra cui l'interpolazione polinomiale elemento di raccordo o finiti. Nel presente manoscritto, mettiamo a disposizione una metodologia dettagliata per la valutazione dei campi di deformazione della superficie, sui tessuti vascolari autoctone attraverso l'integrazione delle prove di trazione monoassiale e 2D-DIC.

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Protocollo

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NOTA: Le procedure descritte qui di seguito sono state eseguite come parte di un protocollo approvato dalla cura e l'uso degli animali Comitato Istituzionale presso la University of South Carolina a Columbia, South Carolina.

1. Acquisizione e dissezione dei tessuti

  1. Sterilizzare tutti gli strumenti chirurgici prima di dissezione dei tessuti. Forbici chirurgiche autoclave e pinza sottile standard e lame chirurgiche sotto pressione di 15 psi e la temperatura di 121 ° C per 15 min.
  2. Acquisire una serie di suino fresca (7 mesi di età maschi Landrace, 60-70 kg) reni con dell'aorta intatto da un mattatoio locale. Tessuto trasporto al laboratorio in soluzione ghiacciata 1% tampone fosfato salino (PBS).
  3. Immediatamente all'arrivo, isolare l'aorta addominale dal tessuto circostante con le forbici chirurgiche e pinze.
  4. Lavare il recipiente tre volte utilizzando una siringa da 50 ml riempita con PBS (pH 7,2). Utilizzando le forbici e pinze, rimuovere la maggior quantità di tessuto perivascolare come possIBLE senza compromettere l'integrità del campione.
  5. Posizionare verticalmente una lametta affilata sulla sezione centrale del vaso e assicurarsi che è perpendicolare all'asse longitudinale dell'imbarcazione. Creare due campioni anello ciascuno con una larghezza di circa 20 mm, applicando tre tagli circonferenziali sequenziali con la lama di rasoio.
  6. Posizionare verticalmente una lametta affilata su un campione anello tale che la lama è orientato in direzione radiale. Applicare una forza acuta per produrre un taglio radiale, che si traduce in un campione a forma di striscia per prove meccaniche uniassiale. Trasferire il campione in una piastra di Petri 100 mm vetro e immergere in PBS fino all'applicazione di pezzatura superficie. Ripetere l'operazione per il secondo campione anello.

2. Creazione di Surface Speckle modello

  1. Collegare l'aerografo alla valvola di pressione.
  2. Regolare il diametro ugello dell'aerografo per produrre macchie di 60-100 micron (gamma appropriata per il diametro degli ugelli dovrebberoessere determinata da studi preliminari).
  3. Versare circa 2 ml di tessuto nero tintura marcatura nell'alimentatore gravità della aerografo.
  4. Posizionare l'aerografo a circa 0,5 m di distanza dal campione.
  5. Togliere il campione dalla piastra di Petri. Spray marcatura tessuto colorante sulla superficie intimale del campione per circa 5 secondi sotto una pressione di spruzzatura 100 psi. Ripetere tre volte per assicurare che il speckle ricopre uniformemente la superficie del campione.

3. Prestazioni di esperimenti

  1. Fissare ciascuna estremità del campione ad una striscia di plastica (1 cm di spessore di larghezza x 1 cm di lunghezza x 0,5 cm) con un adesivo tissutale. Posizionare il campione su un tagliere di tessuto. Posizionare il campione tale che si trovi e misurare le sue dimensioni con un calibro digitale.
  2. Avviare controlli di sistema per prove meccaniche. Sul sistema controlla schermata principale, selezionare "forma d'onda" sulla barra delle applicazioni si trova nella scheda "Impostazioni".
  3. Anno Dominisolo la posizione dell'impugnatura superiore del tester meccanico a -4 mm (4 mm estensione rispetto alla posizione iniziale indicata nel sistema). Garantire Delicatamente una striscia di plastica (in allegato al modello 3.1) nella morsa superiore del tester meccanico e consentire il campione di pendere liberamente. Utilizzare il calibro digitale per garantire che la distanza tra il campione e l'impugnatura superiore è inferiore a 2 mm.
  4. Regolare manualmente la posizione dell'impugnatura inferiore in modo che l'estremità libera del campione può essere assicurato senza estensione. Garantire delicatamente la striscia di plastica fissato all'estremità libera del campione nella morsa inferiore del tester meccanico.
    1. Utilizzare il calibro digitale per garantire che la distanza tra il campione e l'impugnatura inferiore è inferiore a 2 mm. Zero la cella di carico del sistema. Misurare la lunghezza del campione e usare questo come la lunghezza di riferimento per il calcolo dei ceppi circonferenziali globali.
  5. Inserisci il protocollo prove meccaniche. Il protocollo utilizzato in tsua dimostrazione comporta 4 cicli spostamento uniassiale che estendono la lunghezza del campione del 18% ad una velocità di spostamento di 0,01 mm / sec.
  6. Intermittently spruzzare PBS sul campione durante il protocollo di test rimanente per assicurare che rimanga idratato.
  7. Montare la fotocamera (fotocamera da 5 mega pixel, mm 100 dell'obiettivo, dimensione dei pixel di 3.49 micron) su un treppiede che è posizionato a 1,5 m dal telaio di carico. Assicurare la fotocamera e la superficie del campione sono perpendicolari impostando la fotocamera al campo più basso disponibile di profondità e di manipolare il suo allineamento tale che l'intero campo visivo è a fuoco.
  8. Aprire il software di acquisizione delle immagini.
  9. Selezionare "PGR-2" nell'opzione "Selezione del sistema".
  10. Selezionare il percorso di progetto per salvare le immagini da analizzare.
  11. Fare clic sull'icona "Time Square" e specificare l'intervallo di acquisizione come 5 sec.
  12. Regolare l'esposizione, apertura numerica, e messa a fuoco dell'obiettivo in modo da ottenere una visione chiara del campione.
  13. Regolare la posizione di LED per fornire un'adeguata illuminazione sul campione.
  14. Fare clic sull'icona "Start" nel software di cattura delle immagini per ottenere un'immagine della superficie del campione.
  15. Aprire il software di analisi delle immagini.
  16. Importare l'immagine ottenuta. Zoom su un individuo macchiolina, e poi contare il numero di pixel all'interno di questo individuo macchiolina.
    Nota: Identificare una macchiolina nera rappresentante. Definire la dimensione speckle come la distanza lineare tra pixel su entrambi i lati del speckle che hanno valori elevati simili. Per una dimensione speckle accettabili, il numero di pixel in tutta la larghezza di un speckle tipica dovrebbe essere maggiore di 3 pixel. Per migliorare la risoluzione spaziale delle misurazioni, la maggior parte delle macchie dovrebbero avere più di 5-7 pixel lungo la larghezza del speckle, quando possibile. Così, un speckle tipico per questo caso sarebbe compreso tra 10 micron sulla minima e 23 micron al più grande dimensione lineare. Per determinare un sottoinsieme adeguatodimensioni, un sottoinsieme tipico deve avere almeno 3 bianco e 3 macchie nere in tutta la sua larghezza. Se una macchiolina tipico è di 5 pixel a dimensione lineare, quindi ogni 31x31 sottoinsieme sarebbe almeno 105 micron di dimensione lineare. La spaziatura fra i centri sottoinsieme deve essere almeno 1/6 della dimensione lineare. Così, per una dimensione 31x31 sottoinsieme, la distanza è 5 pixel che rappresenta 18 micron in linea d'aria.
  17. Dopo aver verificato la qualità di speckle, contemporaneamente fare clic sull'icona "Esegui" nel sistema e l'icona "Start" nel software di cattura delle immagini per avviare il test.
  18. Scatto di una serie di immagini in tutto il test utilizzando il software della fotocamera e la cattura delle immagini.

4. Procedure di pulizia dopo l'esperimento

  1. Mettere il campione scartato in sacchetto di rischio biologico e chiudere il sacchetto. Chiamare il Dipartimento di Salute Ambientale e Sicurezza (EHS) presso la University of South Carolina per il corretto smaltimento.
  2. Preparare una fosfatisoluzione disinfettante libera con un rapporto di diluizione 1:64 di detergente disinfettante acqua distillata. Immergere gli strumenti chirurgici in questa soluzione per 20 min.
  3. Sciacquare a fondo gli elementi indicati nel 4.2 con acqua distillata. Asciugare gli strumenti con un tovagliolo di carta e poi li spruzzare con una soluzione di etanolo al 70%. Ancora una volta gli strumenti chirurgici asciugare con un tovagliolo di carta e rimetterli nella casella degli strumenti chirurgici.

5. Analisi dell'immagine per misurare il ceppo di campo locale

  1. Aprire il software di analisi delle immagini.
  2. Fare clic sulla scheda "immagini Speckle", selezionare tutte le immagini che devono essere analizzati.
  3. Clicca su strumento rettangolo e selezionare l'area di interesse nella prima immagine.
  4. Immettere formato sottoinsieme di 41 × 41 pixel e dimensione del passo 5 pixel.
  5. Fare clic su Start scheda analisi del software, selezionare l'interpolazione come ottimizzato 8-trappola; selezionare il criterio differenze al quadrato zero normalizzati e pesi sottoinsieme di opzione ai gaussiana.
  6. Impostare le opzioni di soglia predefinita nel software.
  7. Fare clic sulla scheda secondaria post-elaborazione in tab analisi inizio. Clicca opzione ceppo calcolo e lasciare le dimensioni del filtro e tipo di filtro come predefinito nel software. Selezionare tensore tipo Lagrange.
  8. Selezionare la scheda dati e quindi selezionare qualsiasi immagine analizzata per la visualizzazione del campo di deformazione superficiale.

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Risultati

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I dati meccanici acquisiti da una rampa di prova estensione monoassiale sul tessuto vascolare costituito da carico contro applicate rapporti di spostamento del campione ad un determinato tasso di spostamento. In questo studio, 2D-DIC in combinazione con test meccanici monoassiale viene utilizzato per misurare i campi di deformazione della superficie del campione in direzioni ortogonali in varie condizioni di deformi. La natura viscoelastica del tessuto vascolare si manifesta con la notev...

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Discussione

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Sebbene studi precedenti hanno utilizzato una vasta gamma di metodi di video-dye di monitoraggio per valutare tensione campione 18,20,21,23,24, il nostro obiettivo attuale è quello di fornire una metodologia completa per due prove di trazione uniassiale con 2D-DIC per la valutazione di tensioni superficiali su campioni di tessuto vascolare. Con una fotocamera ad alta risoluzione e software di analisi dell'immagine in-house, il campo di deformazione può essere misurata in una regione superficiale predeterm...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno potenziali conflitti di interesse.

Ringraziamenti

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Il software e il supporto tecnico sono per gentile concessione di correlata Solutions Incorporated (www.correlatedsolutions.com).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Tester meccanico di trazione uniassialeEnduratec3230 AT/HR
Colorante per marcatura tissutale bluhttp://www.ebay.com/itm/Tissue-Marking-Dye-in-Bottles-2oz-Bottle-1-ea-/201193551510?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item2ed811f696
spruzzatoreAnest-iwataCM-BCustom Micron B
CameraPoint GrigioGS2-GE-50S5M-C
LenteTokinaAT-X M100
Tessuto vascolareCaughman Inc
0,9% Cloruro di sodio Iniezione PBSBAXTER HEALTHCARE CORP.
Soluzionicorrelate
Vic_snap Vic_2DSoluzioni
Wintest 4.1Bose ElectroForce
Adesivo tissutale  3M Vetbond 1469SB
Disinfettante Fisher Scientific04-355-13Decon BDD Bacdown Detergente Disinfettante
correlate

Riferimenti

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