Wykorzystanie cyfrowej korelacji obrazów do scharakteryzowania lokalnych szczepów na próbkach tkanki naczyniowej
24 stycznia 2016
Opisujemy użycie cyfrowej korelacji obrazu do scharakteryzowania lokalnego pola odkształcenia powierzchniowego na próbkach tkanki naczyniowej poddanych jednoosiowej próbie rozciągania. Pomiary te ułatwiają precyzyjną kwantyfikację reakcji mechanicznej próbki i generowanie konstytutywnych relacji naprężenie-odkształcenie.
Ogólnym celem tego protokołu jest scharakteryzowanie lokalnego pola odkształcenia powierzchniowego na próbkach tkanki naczyniowej. Osiąga się to za pomocą techniki cyfrowej korelacji obrazu z jednoosiową próbą rozciągania. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie mechaniki tkanek miękkich, a w szczególności dostarczyć informacji do identyfikacji i unieważnienia coraz bardziej wyrafinowanych modeli obliczeniowych i matematycznych tkanki naczyniowej.
Główną zaletą tej techniki jest to, że ułatwia precyzyjną kwantyfikację niejednorodności pola odkształcenia na powierzchni próbki, która jest funkcją naturalnych właściwości materiału, geometrii symboli i zastosowanej metody testowania. Jak tylko tkanka dotrze do laboratorium, odizoluj aortę brzuszną od otaczających tkanek za pomocą nożyczek chirurgicznych i kleszczy. Następnie umyć naczynie trzykrotnie za pomocą strzykawki wypełnionej PBS.
Po przemyciu należy użyć nożyczek i kleszczyków, aby usunąć jak najwięcej tkanki okołonaczyniowej, bez naruszania integralności próbki. Następnie w środkowej części naczynia umieścić ostrą żyletkę, prostopadle do osi wzdłużnej naczynia i posiekać naczynie trzy razy, aby uzyskać dwie próbki pierścieniowe. Następnie umieść ostrze na jednym z pierścieni, aby wykonać cięcie promieniowe.
Mocno przetnij pierścień, aby uzyskać próbkę w kształcie paska do jednoosiowych testów mechanicznych. Zrób to z obydwoma pierścieniami. Tymczasowo przechowywać obie próbki na szklanej szalce Petriego o średnicy 100 mm zanurzonej w PBS.
Aby nakrapić powierzchnię próbki, należy użyć szczotki powietrznej gotowej do rozpylenia barwnika do znakowania tkanek. Podłącz szczotkę powietrzną do zaworu ciśnieniowego ustawionego na wytwarzanie 100 psi. Następnie dodaj barwnik do znakowania tkanek.
Średnica dyszy musi być skalibrowana dla średnic plamek od 60 do 100 mikronów. Następnie rozpyl barwnik do znakowania tkanek na wewnętrzną powierzchnię próbki przez około pięć sekund. Zrób to trzy razy, aby upewnić się, że wzór plamek równomiernie pokrywa powierzchnię próbki.
Aby rozpocząć, zamontuj próbkę na aparaturze badawczej. Najpierw przymocuj każdy koniec próbki do plastikowego paska za pomocą kleju tkankowego. Umieść plastik zarówno na górze, jak i na dole próbki za pomocą kleju, tworząc kanapkę.
Umieść próbkę płasko na desce do krojenia bibuły, a następnie zmierz jej wymiary za pomocą suwmiarki cyfrowej. Następnie zainicjuj sterowanie systemem dla aparatury testowej. Na ekranie głównym sterowania systemem wybierz kształt fali na pasku zadań znajdującym się na karcie konfiguracji.
Następnie wyreguluj położenie górnego uchwytu testera mechanicznego na minus cztery mm, aby zapewnić przedłużenie o 4 mm w stosunku do wyznaczonej pozycji początkowej w systemie. Teraz delikatnie przymocuj jeden plastikowy pasek do górnego uchwytu testera mechanicznego i pozwól próbce swobodnie zwisać. Następnie wyreguluj położenie dolnego uchwytu tak, aby wolny koniec próbki można było zabezpieczyć bez przedłużania.
Następnie delikatnie przymocuj plastikowy pasek przymocowany do wolnego końca w dolnym uchwycie testera. Po zamontowaniu próbki wyzeruj systemowe ogniwo obciążnikowe. Następnie zmierz długość próbki i użyj jej jako długości odniesienia przy obliczaniu globalnych odkształceń obwodowych.
Teraz w kontrolce oprogramowania wprowadź protokół testów mechanicznych. W tym przypadku stosowane są cztery jednoosiowe cykle przemieszczenia. Każdy cykl wydłuża długość próbki o 18 procent przy szybkości przemieszczenia 0,01 mm na sekundę.
Aby udokumentować test, rób zdjęcie co kilka sekund. Ustaw kamerę w odległości 1,5 m od ramy załadowczej, prostopadle do próbki i ustaw ją na próbce. W oprogramowaniu do przechwytywania obrazu, w opcji wybierz system"wybierz PGR2, a następnie ustaw ścieżkę projektu, aby zapisać obrazy do analizy.
Kliknij ikonę kwadratu czasu i określ interwał akwizycji na 5 sekund. Teraz zaimportuj uzyskany obraz. Powiększ pojedynczą plamkę, a następnie policz liczbę pikseli w tej pojedynczej plamce.
Po zweryfikowaniu jakości wzoru plamkowego kliknij jednocześnie uruchom"ikonę w systemie i start"ikonę w oprogramowaniu do przechwytywania obrazu, aby rozpocząć test. Przez cały czas trwania protokołu należy okresowo spryskiwać próbkę PBS, aby nie wyschła. Należy to jednak zrobić zawsze, gdy jest w stanie niezaładowanym, a nie podczas pobierania danych.
Po otwarciu oprogramowania do analizy obrazu kliknij "obrazy plamkowe"zakładkę i wybierz wszystkie obrazy, które wymagają analizy. Następnie kliknij narzędzie prostokąta i wybierz obszar zainteresowania na pierwszym obrazie. Następnie wprowadź rozmiar podzbioru 31 na 31 pikseli i rozmiar kroku wynoszący pięć pikseli.
Teraz kliknij rozpocznij analizę"zakładkę w oprogramowaniu i ustaw interpolację na zoptymalizowaną pułapkę 8. Ponadto należy ustawić kryterium jako zero znormalizowanych różnic kwadratowych, a opcję wag podzbiorów jako Gaucian. Sprawdź opcje progowe.
Powinny być ustawione na wartość domyślną. Następnie kliknij zakładkę podrzędną przetwarzania końcowego w zakładce rozpocznij analizę. Wybierz opcję, obliczanie ciągu"i pozostaw rozmiar i typ filtru jako domyślny.
Ustaw typ tensora na Lagrange. Na koniec wybierz kartę danych, a następnie wybierz analizowany obraz, aby zwizualizować pole odkształcenia powierzchniowego. 2D DIC w połączeniu z jednoosiowymi testami mechanicznymi wykorzystano do pomiaru pola odkształcenia powierzchniowego próbki tkanki naczyniowej w różnych stanach zdeformacji.
Lepkosprężysty charakter tkanki był godny uwagi ze względu na stopień histerezy w krzywych niskiego przemieszczenia przed mechanicznym kondycjonowaniem wstępnym. Jednak dzięki kondycjonowaniu wstępnemu histereza stopniowo się zmniejszała. Zgodnie z oczekiwaniami, lokalne wartości odkształceń obwodowych wzrastały wraz z zastosowanym przemieszczeniem próbki.
Odkształcenie obwodowe było na ogół mniejsze w pobliżu środka próbki w porównaniu do blisko granicy uchwytów próbki. W kierunku wzdłużnym wynikowe, nierównomierne odkształcenie ściskające na powierzchni wewnętrznej próbki zwiększało się wraz ze stopniowym rozszerzaniem próbki. Zmiany koloru w obrębie konturów dla pomiarów odkształceń w pełnym polu wyraźnie pokazują wysoką niejednorodność aorty poddanej nominalnemu, jednoosiowemu obciążeniu rozciągającemu.
Następnie obliczono współczynniki zmienności pól odkształceń powierzchniowych w kierunkach ortogonalnych w każdym stanie doświadczalnym. Stwierdzono, że zmienność odkształcenia powierzchniowego ma odwrotną zależność od rozszerzenia próbek. Wysoki poziom niejednorodności odpowiedzi materiału jest określany ilościowo w tabeli za pomocą współczynnika zmienności lub CV. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak określić ilościowo lokalną reakcję mechaniczną powierzchni za pomocą cyfrowej korelacji obrazu w połączeniu z jednoosiową próbą rozciągania próbek tkanki naczyniowej.
Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się mechaniką tkanek miękkich do zbadania fizjologicznej, patologicznej i modulowanej reakcji mechanicznej tkanki naczyniowej.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie opisuje zastosowanie korelację obrazów cyfrowych do charakteryzacji lokalnego pola odkształceń powierzchni na próbkach tkanki naczyniowej poddanych badaniom rozciągającym jednoosiowym. Ta metoda pozwala na precyzyjne określenie reakcji mechanicznej próbek i pomaga w generowaniu zależności stresu-odkształcenia.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Mechanika tkanek miękkich
- Biomechanika
- Analiza tkanki naczyniowej
Tło
- Rozumienie właściwości mechanicznych tkanek naczyniowych jest kluczowe dla różnych zastosowań biomedycznych.
- Korelacja obrazów cyfrowych jest metodą optyczną bez kontaktu służącą do pomiaru odkształceń.
- Badania rozciągające jednoosiowo dostarczają informacji na temat zachowania mechanicznego materiałów.
- Charakteryzacja pól odkształceń może pomóc w walidacji modeli obliczeniowych tkanek naczyniowych.
Cel badania
- Charakteryzować lokalne pole odkształceń powierzchni na próbkach tkanki naczyniowej.
- Zgłębiać rozumienie mechaniki tkanek miękkich.
- Dostarczać danych do walidacji modeli obliczeniowych tkanki naczyniowej.
Zastosowane metody
- Technika korelacji obrazów cyfrowych.
- Badania rozciągające jednoosiowo próbek tkanki naczyniowej.
- Izolacja aorty brzusznej z otaczającej tkanki.
- Płukanie naczynia roztworem PBS w celu przygotowania do badania.
Główne wyniki
- Precyzyjne określenie heterogeniczności pola odkształceń na powierzchni próbki.
- Identyfikacja właściwości materiałowych wpływających na reakcję odkształceniową.
- Wgląd w wpływ geometrii i trybu badania na pomiary odkształceń.
- Dane wspierające opracowanie zależności stresu-odkształcenia.
Wnioski
- Technika korelacji obrazów cyfrowych jest skuteczna w analizie mechaniki tkanek naczyniowych.
- Ta metoda dostarcza kluczowych danych do ulepszania modeli obliczeniowych.
- Rozumienie pól odkształceń może prowadzić do lepszego wglądu w zachowanie tkanek pod wpływem stresu.
Często zadawane pytania
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.
