Summary
In dit protocol, worden het dijbeen oppervlakte stammen geschat tijdens fractuur testen met behulp van de digitale afbeelding correlatie techniek. De nieuwigheid van de methode gaat om toepassing van een hoog contrast stochastische spikkel patroon op het dijbeen oppervlak, zorgvuldig opgegeven verlichting, hoge snelheid video-opname en digitale beeldanalyse correlatie voor stam berekeningen.
Abstract
Dit protocol beschrijft de methode die het gebruik van digitaal beeld correlatie voor de raming van de corticale stam uit videobeelden van de hoge snelheid van de dode foetussen femorale oppervlak verkregen mechanische testen. Deze optische methode vereist een textuur van vele contrasterende fiduciaire merken op een effen witte achtergrond voor het nauwkeurig bijhouden van oppervlakte vervorming zoals laden wordt toegepast op het model. Onmiddellijk voorafgaand aan het testen, is het oppervlak van belang in de cameraweergave geschilderd met een watergedragen witte primer en toegestaan gedurende enkele minuten drogen. Dan, een zwarte verf is gespikkelde zorgvuldig over de witte achtergrond met speciale aandacht voor de zelfs grootte en vorm van de druppels. Verlichting is zorgvuldig ontworpen en zo ingesteld dat er optimaal contrast van deze merken terwijl het minimaliseren van reflecties door het gebruik van filters. Beelden werden verkregen door middel van snelle video-opname op maximaal 12.000 frames/s. De belangrijkste beelden voorafgaand aan en inclusief de fractuur gebeurtenis worden geëxtraheerd en vervormingen worden geschat tussen opeenvolgende frames in zorgvuldig formaat ondervraging windows over een bepaald gebied van belang. Deze vervormingen worden vervolgens gebruikt voor het berekenen van de oppervlakte spanning stoffelijk tijdens de test van de breuk. De gegevens van de stam is erg handig voor het identificeren van de inleiding van de breuk in het dijbeen en voor de uiteindelijke validatie van proximale dijbeen breuk sterkte modellen afgeleid van kwantitatieve berekend tomografie gebaseerde eindige Element Analysis (FEA/QCT).
Introduction
Digitale afbeelding correlatie (DIC) is een afbeelding post-processing methode die wordt gebruikt in het huidige protocol te schatten de volledige veld oppervlakte spanning van dode foetussen femorale proefstukken van tijdreeks beelden verkregen tijdens proeven van de mechanische breuk. De techniek werd eerst ontwikkeld en toegepast in experimentele spanningsanalyse in de jaren 1980 en heeft ervaren een snelle toename van het gebruik in de afgelopen jaren1,2,3. Het heeft verscheidene belangrijke voordelen ten opzichte van meer traditionele benaderingen van spanningsmeters montage op een structuur met inbegrip van ruimtelijke verspreiding van de stam-veld, fijner meten lengtes via verhoogde cameraresolutie, en het vermijden van problemen met spanningsmeter hechting van de lijm of naleving. Een groot voordeel van DIC voor biologische weefsels, zoals bot, is dat het kan worden toegepast op onregelmatige geometrieën bestaande uit zeer heterogene materiaaleigenschappen4,5. Het primaire nadeel over traditionele stam overname methoden is dat er dure high speed videocamera voldoende resolutie voor de meting van de regio van belang om voldoende ruimtelijke en temporele bemonstering te nauwkeurig schatten stam velden.
De primaire toepassing van de velden van de temporele stam verkregen botbreuk DIC analyse is voor het valideren van de ramingen van de stam in QCT/FEA modellen van femur sterkte5. Deze validatie is de focus van vele orthopedische onderzoeksgroepen die voornamelijk gebruik maken van externe metingen van kracht en de verplaatsing van de meetcellen en verplaatsing omvormers6,7,8. Bovendien zijn na breuk beeldanalyse van de breuk patroon samengevoegd met deze externe metingen als verdere vervoermiddel model validatie9. Meer recentelijk, de DIC-methode werd toegepast om te valideren van een model FEA van breuk en barst van de propagatie in de proximale dijbeen10. Door gebruik te maken van een soort correlatie tussen modellen en experimenten, nog meer vertrouwen in de geldigheid van rekenmodellen van proximale dijbenen zal worden verkregen en verder het QCT/FEA diagnostische methode dichter bij klinisch gebruik.
Dit werk legt een gedetailleerd protocol op te nemen de nodige maatregelen voor DIC analyse in breuk testen van proximale dijbenen. De procedure opgenomen de bot voorbereiding stappen van een witte verf spuiten op het oppervlak van bot en vervolgens speckling zwarte vlekken op de gedroogde witte oppervlak van het bot, methoden voor het verkrijgen van afbeeldingen met voldoende ruimtelijke en temporele resolutie met hoge snelheid video camera's, en het proces en de hulpmiddelen die we gebruikt voor het berekenen van de stam velden uit deze beelden. Wij ook verschillende waarschuwingen die de kwaliteit van de metingen kunnen beïnvloeden uitgelegd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
alle experimenten werden uitgevoerd met instemming van de institutionele Review Board. De monsters werden verkregen anatomische onderzoeklaboratoria in samenwerking.
1. voorbereiden van Specimens voor testen
- ontdooien van de dijbenen op RT voor 24 h.
- Wanneer het dijbeen is in de wachtrij voor het testen, verwijderen van elke omslag die werd toegepast vóór bevriezing en veeg het dijbeen met een droge handdoek te verwijderen van een restant vocht, vette stortingen of zachte weefsels. De grotere trochanter pot in een geprefabriceerde aluminium beker met botcement.
- Met behulp van een doos te bevatten van de deeltjes zo veel mogelijk, spray het bot met witte kunststof primer om een dunne, uniforme coating. Zorg ter dekking van de bone met één uniforme laag verf voor optimaal contrast en sterke hechting op het oppervlak van de dijbeen.
Opmerking: De dikte is niet gemeten. - Laat de verf drogen voor ten minste 5 min. Dit is belangrijk om te voorkomen dat het onbedoelde mengen met gespikkelde druppels in sectie 2.
- Wrap de bone met natte doek om te voorkomen dat weefsel droogheid.
2. Proces speckling
- ongeveer, meng 1 deel water met 2 delen verf voor de beste speckling op de been. Voeg water geleidelijk (voor een betere mengsel) aan de acryl verf om een zwarte kleur.
- Een schone tandenborstel in een palet van zwarte verf te absorberen van kleur en flick de borstel om zwarte spikkels op de witte coating dip.
- Laat de verf drogen 5 min voordat u verdergaat.
3. Afbeelding van overname
- Mount het bereid gespikkelde dijbeen in de mechanische testmachine door de ingemaakte distale einde invoegen in de armatuur en draai de twee schroeven om het specimen.
- Pas de twee hoge intensiteit geen kwijting lichte reflectoren zodat het dijbeen oppervlak de hoogste verlichting mogelijk bereikt terwijl het vermijden van reflecties in het camera beeld. Snel verder met de volgende stappen in sectie 3 om te voorkomen dat ongewenste verwarming van het specimen van licht straling voorafgaand aan de test
- Verminderen het diafragma van de voorkant en achterkant bekijken High-speed video cameralenzen zodanig zijn dat de hele regio van belangstelling voor het gezichtsveld van het dijbeen is scherpgesteld.
- Passen de lichte reflectoren om verder te verbeteren verlichting terwijl het verminderen van schittering.
- De afbeelding acquisitie software om vast te leggen op 6000 frames/s bij een resolutie van 1024 x 512 pixels instellen Stel het totale aantal frames worden verkregen nadat het trigger-signaal wordt ontvangen op 12288. Arm videosoftware van hoge snelheid voor Beeldacquisitie wanneer de trigger signaal van het testsysteem ontvangt. Wanneer het testen voltooid is, de video bevindt zich in de camera ' s buffergeheugen.
- Met de afbeelding acquisitie software, de video opslaan op schijf door een gewenste naam van de pad en de bestandsnaam op te geven en te klikken op " opslaan ". Wees bereid om te wachten tussen 5-40 min tot dit proces te voltooien, afhankelijk van het aantal frames om gered te worden.
4. Voorbereiding van het beeld
- maken afzonderlijke werkdirectories voor weergaven van de voor- en achterkant van de dijbeen.
- Video analysesoftware gebruiken om te openen de juiste hoge snelheid video-opname en noteer de referentienummers keyframe bij 1) de start van belasting frame actuator beweging, en 2) het frame onmiddellijk na de gebeurtenis fractuur.
- Aan een reeks niet-gecomprimeerde TIFF-afbeeldingen downsamplen van de hoge snelheid-video, open en voer de " mov_frames.m " script in de werkmap voor de kant van relevante dijbeen.
- In het resulterende dialoogvenster, voer het laatste framenummer geïdentificeerd in stap 4.2 met een stap grootte van 25-40. Klik op " Frames uittreksel " en inspecteren van de werkmap om ervoor te zorgen dat de *.tiff bestanden correct werden uitgepakt.
5. Eindige Element Mesh creatie
program- gebruik een externe eindige elementen weven maken de eindige elementen-Maas. 2D stammen uit de differentiële verplaatsing vectoren berekenen met de eindige elementenmethode. De eerste uitgepakte *.tiff afbeelding importeren in de eindige elementen software pre processor als een sjabloon voor de werkgelegenheid van de spline.
- Twee gemakkelijk te identificeren van fiduciaire punten in de afbeelding die op de tegenoverliggende hoeken van het frame en het opnemen van hun X- en Y-coördinaten (deze zal uiteindelijk worden gebruikt in stap 6.1) vinden. Deze coördinaten zijn willekeurig op basis van het Verdrag de FEA-software gebruikt voor het importeren van het *.tiff beeld. De coördinaten van deze punten zal worden gebruikt voor het registreren van de knooppunten van de Maas van eindige elementen met de overeenkomstige pixels van de videobeelden in stap 6.2.
- Open hetzelfde beeld dat naar de eindige elementen software preprocessor werd geïmporteerd in een beeld het uitgeven software, en de waarden voor de X en Y-richting van de pixels die zijn gekoppeld aan de punten die geïdentificeerd in stap 5.2 opnemen. Deze zal uiteindelijk worden gebruikt in stap 6.1.
- In de " schets " module van de eindige elementen programma, weven de spline-hulpprogramma gebruiken om te schetsen van een gesloten gedeelte vertegenwoordigen van het Gewest van belang. Controleer of de regio is niet te groot, zodat het oppervlak van het bot buiten de regio voorafgaande verhuizen te naar breuk als gevolg van rotatie.
- Bereiden de gesloten sectie gemaakt in stap 5.4 voor het weven door het zaaien van de randen met een globale maaswijdte van 1 mm onder het menu " zaad deel aanleg ".
- Onder " toewijzen mesh besturingselementen ", de shape van het element instelt vierhoek.
- Het gesloten gedeelte mesh.
- De Maas te exporteren naar een ASCII-bestand van de mesh database bestaande uit knooppunten coördinaten en element definities.
- Met de resulterende eindige elementen input file open in een teksteditor, kopieer het knooppunt blok met knooppuntnummers en coördinaten in een nieuw tekstbestand en sla als " nodes.txt ". Herhaal voor het element blok en sla het nieuwe tekstbestand als " elements.txt ".
6. De FE Mesh registreren met de hoge snelheid videobeelden en voeren digitale correlatie beeldanalyse
- Maak in een nieuwe sessie, 2-element rijvectoren ab1 en ab2 aangeroepen met de waarden die geïdentificeerd in stap 5.2., en px1 en px2 met de waarden in stappen 5.3 aangeduid met de namen van die vector typen op de opdrachtregel. Opslaan van de werkruimte als " points.mat ".
- Voer het script " convert_imagesize.m " te registreren van de punten van de eindige elementen mesh met het uitgepakte hoge snelheid videobeeld. Voer het script uit
- " rrImageTrackGui.m ". De eerste afbeelding laden (" p01.tif ") en het nummer van de laatste *.tiff-bestand dat werd uitgepakt als het totale aantal beelden verwerken.
- Laden de gaas gemaakt in stap 5.7 door ervoor te zorgen dat de mesh-optie is ingesteld op " lezen uit bestand " en klik op " accepteren ". De eindige elementen Maas moet verschijnen boven de afbeelding bot.
- Geeft u de waarden van de bijhouden op basis van de volgende richtlijnen voor het bijhouden van de parameters en klik op " gaan " (houden dat de parameterwaarden zijn Afbeeldingsgrootte, textuur en hoeveelheid vervorming plaatsvindt, en moeten worden getest zorgvuldig op een case-by-case basis).
- Gebruiken een Kernel grootte van 21. De grootte van de Kernel, n, is de grootte-of een n x n venster (waar n een oneven getal is) van pixels die wordt gebruikt voor de cross-correlatie en de vastberadenheid van de vervorming vector voor dat gebied dat zal worden gebruikt voor de belasting berekeningen.
- Gebruiken een begingrootte Subpixel van 4. De grootte van de Subpixel, m, is de grootte van het (2 m + 1) x (2 m + 1) sub-venster over welke subpixel vervorming wordt berekend door het uitgaande van homogene stam in die sub-venster.
- Gebruiken een startende gladheid factor 2. Gladheid factor is het bedrag van smoothing toegepast op het veld van de verplaatsing op bijgehouden locaties voor computergebruik stammen.
- Gebruiken een startende maxMove factor 10. maxMove factor is het maximum aantal pixels dat een willekeurig knooppunt uit de buurt van zijn traject ten opzichte van haar buurman worden kan ' s traject. Dit helpt voorkomen dat slecht bijhouden aan vervorming.
- Gebruiken een startende smoothGrid factor 15. De smoothGrid factor is de grootte van het raster (iets grover dan de maaswijdte van de bijgehouden knooppunten) die wordt gebruikt voor het vloeiend maken.
- Een hulplijnpunt die aanzienlijke contrast omheen heeft terwijl het vermijden van gebieden met geen schittering of blurriness selecteren. Dit punt controleren door te klikken op " Check gids " en controleer of de correlatie piek is sterk (ten minste tweemaal de amplitude) in vergelijking met zijn buren. Klik op " accepteren " en " uitvoeren Tracking " wanneer voldaan. Dit kan zijn een langdurig computationele proces waar differentiële verplaatsing wordt berekend voor de temporele Afbeeldingsvolgorde.
- Na stap 6.6 is voltooid, klikt u op " animatie ". Wanneer de animatie is voltooid, klikt u op " schrijven van stammen (nabewerking software) ", geef *.exe, en selecteer vervolgens writeStrainRR_simple.exe 11. Dit zal het berekenen van de stammen. Sluit de GUI.
7. Post-verwerking van verplaatsing en stam gegevens
- te verkrijgen stam Vs. framenummer uitvoeren " analyzeFailurePrecursor.m " vanaf de opdrachtregel met een input argument van de stap-grootte (Kies 20-30). De pieken bot schade zal betekenen, en de grootste piek komt overeen met het frame dicht bij global bot mislukking.
- Wilt maken van filmbestanden van de stammen, voert u " makeMovies.m " van het opdrachtvenster met de argumenten (numVars, endstep, vlag).
Opmerking: Het argument numVars is gedefinieerd als 1-3 verplaatsingen, 4-6 wezen xx, yy en xy stam onderdelen, 7 & 8 zijn de twee belangrijkste en de von Mises stam, en 9 is de energie van de stam. Het argument endstop is het laatste frame in de film wilt opnemen.- Stelt u de optionele argument markering 1 alleen om films te maken voor de entiteit die is opgegeven voor het argument numVars en op 0 om films van alle variabelen te maken.
8. Fine Tuning en verfijning van de resultaten
- als DIC tracking gaf slechte resultaten zoals een discontinue stam-veld die buiten continuum mechanica veronderstellingen valt, bepalen wat er gebeurt en waarom het volgen ontbreekt. Herhaal punt 6 met bijzondere aandacht voor de aanpassing van het bijhouden van de parameters. Een secundaire optie mogelijk terug naar de eindige elementen-software en het maken van een meer uniforme en eventueel fijner gaas.
- Als DIC tracking gaf redelijke resultaten, maken een fijnere reeks beelden voor DIC. Gebruik deze keyframe-referentienummers van stap 4.2 en de bijbehorende frame rate van de video, de ruimte tussen de frames voor drie verschillende regelingen van belang in de test van de breuk met de eis in het achterhoofd dat de punten niet meer dan 6 moeten worden bewegende vast te stellen pixels tussen frames.
Opmerking: Voor het eerste segment van de test als de stammen langzaam in het dijbeen opbouwen zijn, de ruimte tussen de frames worden relatief grote (bijvoorbeeld voor de 100 mm/s verplaatsing tarief, de ruimte tussen de frames voor dit gedeelte is 3333 µs). Voor de tussenliggende gedeelte van de test dichter naar het frame van de fractuur, stam groeit sneller en kleinere ruimte tussen de frames is nodig (1667 µs voor de 100 mm/s verplaatsing rate). Voor het laatste gedeelte vlak voor breuk, de ruimte tussen de frames is op zijn kleinste (16.7 µs tempo 100 mm/s verplaatsing). - Optioneel voor documentatie doeleinden: opgemaakte gegevens het recht van de vermeldingen in een ASCII-bestand met behulp van de informatie uit stap 8.2, maken " steps.txt " met een rij met gegevens voor elke ruimte tussen frames. De indeling van elke rij zal worden het eerste frame van dat regime gescheiden door het aantal frames overslaan (gebaseerd op stap 8.2) gescheiden door een dubbele punt vervolgens het laatste frame van dat regime (dat wil zeggen een indeling van " 1:20:200 " zou instrueren de extractie software uitpakken van frame 1 naar frame 200 in stappen van 20).
- Onmiddellijk na dat aanwijzing, een tab invoegen en aanwijzen van de extractie van het beeld nummer bereik (voor de " 1:20:200 " voorbeeld, zou de volledige rij-aanwijzing " 1:20:200 < druk op TAB > 1:11 " zonder de citaten). Herhaal voor de andere twee regimes, testen dus er zullen drie rijen met informatie in de " steps.txt " bestand. Dit bestand fungeert als een record voor hoe de beelden werden gehaald uit de oorspronkelijke hoge snelheid video.
- De mov_Frames.m-code ook dit keer meerdere afstand regimes van het frame opgeven in het dialoogvenster uitvoeren. Voer de framenummers en stap maten geïdentificeerd in stap 8.2 om de start, afwerking en frame overslaan parameters verwacht in het hulpprogramma ' s-dialoogvenster. Zorg ervoor om dit te doen in een nieuwe map anders de originele beelden overschreven.
- Secties 6 en 7 herhalen en Bekijk de resultaten voor verbetering. Elke dijbeen mogelijk verschillende extra iteraties afhankelijk van de aard van de gebeurtenis van de fractuur, spikkel patroon en verlichting. Wanneer herhalende stap 6.5, houden de instellingen hetzelfde behalve verminderen van maxMove tot en met 6 (van 10).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Voordat het speckling proces, het dijbeen wordt gereinigd van overtollig vet en zachte weefsels, en de grotere trochanter is ingegoten in een aluminium beker. Het bot is tijdens het stollen van polymethylmethacrylaat (PMMA) verpakt in een zoutoplossing doorweekt doek om te voorkomen dat weefsel droogheid. Zodra PMMA is gestold, het bot wordt schoongemaakt weer rechts voordat spuiten (Figuur 1). Vervolgens is het oppervlak van bot gespoten of geborsteld met een watergedragen kunststof witte kleur. Eenmaal gedroogd, is het witte oppervlak gespikkeld met zwarte kleur hebben een stochastische patroon van zwarte vlekken op de witte achtergrond (Figuur 2). Wanneer het bot is geplaatst in de testen meubilair, de lichten en high-speed video camera's zijn ingesteld, en de optimaal contrast van het patroon en de focus van de camera's worden gecontroleerd vóór de test (Figuur 3). De DIC-methode vereist een hoog contrast speckling patroon en voldoende verlichting. Anders kunnen de resultaten worden beïnvloed door verschillende kwesties zoals de overbelichtingseffecten van het oppervlak, slechte contrast en saaie afbeeldingen (Figuur 4). Niet-gecomprimeerde beelden van de video's van hoge snelheid kunnen worden geëxtraheerd in meerdere tijdelijke bemonstering regimes en de DIC tracking algoritme kan worden bediend via grafische user interfaces (Figuur 5). De omtrek van het dijbeen monster wordt gebruikt voor het identificeren van de regio van belang voor stam veld schatting (figuur 6A) en voor de oprichting van een maaswijdte van eindige elementen voor de berekening van de stam (figuur 6B). Het begin van de breuk wordt gedetecteerd door het toezicht op de mate van afwijking van de spanning tijdens het testen, met toppen die bot schade en tijdsbestek van de fractuur (Figuur 6 c). Tot slot zijn 2D stam velden bovenop terug op het beeld van de niet geteste bot voor verbeterde visualisatie (figuur 6D).
Figuur 1 : Bone opstelling vóór het schilderen van de botten. (A) het schoonmaken van het bot van vet en vocht na wordt ontdooid; (B) potgrond grotere trochanter; (C) opruimen voordat spuiten proces Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2 : Schilderij proces. (A) DIC werken gebied en noodzakelijke hulpmiddelen; (B) spuiten bone met witte primer; (C) borstelen witte kleur op het oppervlak van bot; (D) speckling zwarte vlekken op het oppervlak van het witte been; (E) definitieve gespikkeld oppervlak van het bot klaar voor het testen Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 : Verlichting en cameramontages. (A) opzetten van lampen en schilden; (B) high speed video camera; instellen (C) een bot monster geladen aan het testen machine met lichten en camera's klaar voor controle en test; (D) controle van de beelden voor de functionaliteit van de camera's; (E) behandeling van het gebied van belang, in de femorale nek, voor scherpstellen zones, scherptediepte, gebrek aan vervagen, en algemene kwaliteit van de beelden voor DIC Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4 : Bone DIC Caveats. (A) overbelichtingseffecten op het hoofd regio; (B) mengen en overlopen van zwart-wit als wit oppervlak niet droog; (C) slechte contrast, lokale overbelichtingseffecten, slechte helderheid van het beeld Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5 : Aangepaste scripts die werden gebruikt bij de verwerking van de DIC Dialogs. (A) mov_frames.m, (B) rrImageTrackGui.m, (C) gegenereerd 2D mesh Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6 : Voorbeeld van de resultaten van de tussentijdse DIC. (A) spline getekend om te wijzen op de regio van belang, (B) gegenereerd gaas bedekt op bot beeld, afwijkingen van de stam (C) als een functie van hoge snelheid videoframe, (D) berekende stam omtrek plot die is gekoppeld aan de 2 testen van de beelden voorafgaand aan de botbreuk Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
We introduceerden een protocol ter voorbereiding consequent femorale monsters voor hoog contrast imaging tijdens fractuur testen die vervolgens werden gebruikt om het volledige veld stam verdelingen met DIC schatten. Dit protocol gezorgd voor passende contrast textuur van zwarte spikkels tegen een effen witte achtergrond te volgen op het oppervlak van bot. Naar aanleiding van dit protocol, we met succes de schatting van de stammen met behulp van DIC analyse voor negenentachtig dijbenen gerepliceerd.
DIC is een optische methode waarbij het plaatsen van een net over een reeks beelden gevangen genomen door high speed video camera's en bijhouden van de wijzigingen van de pixel intensiteit tussen frames met behulp van een cross-correlatie algoritme. Tijdens de experimenten, vonden we verschillende overwegingen die moeten worden in aanmerking genomen voor de nauwkeurigheid en degelijkheid van de methode en de details worden doorgevoerd in het gepresenteerde protocol in detail. Eerst vonden we de gevoeligheid en de resolutie van de camera's zijn van groot belang voor de ruimtelijke stam metingen van belang. Ten tweede, een zeer fijne textuur van contrasterende zwarte vlekken op witte ondergrond moet vermeden worden omdat ze mogelijk niet zichtbaar voor de camera's. Ten derde, camera's en verlichting moeten worden ingesteld op voldoende afstand om optimale diafragma grootte voor de scherptediepte en de kwaliteit en het contrast van de beelden. Buitensporige verlichting kan leiden tot verzadiging van de beelden wat resulteert in slechte contrast. Tot slot moet de tijdelijke afstand tussen afbeeldingen worden zo ingesteld dat de oppervlakte spikkels niet meer dan 6 pixels tussen frames verplaatsen zodat volgen tijdens cross-correlatie is accuraat.
Zoals aangetoond in dit werk, heeft DIC de mogelijkheid te bieden volledige veld tijdreeks stam schat voor dijbeen breuk tests, iets wat niet gemakkelijk verkregen met spanningsmeter experimentele technieken. Hoewel spanningsmeter metingen zijn tewerkgesteld door een aantal onderzoekers, dergelijke metingen kan worden belemmerd door ontoereikende montage hechting aan het oppervlak van bot, airconditioning en een beperkte ruimtelijke verdeling12,13te meten. In tegenstelling, full-veld stam gegevens is uiterst nuttig voor validatie van QCT/FEA modellen van de sterkte van de botten door het vergelijken van velden van de spanning tussen model en test, en heeft ook klinische toepassing te correleren femurfractuur typen met het patroon van stam ontwikkeling op het oppervlak van het dijbeen voor deze fysiologische herfst laden geval5,9. Terwijl de naleving van de armatuur een probleem zou kunnen zijn bij het testen van zeer stijf dijbenen, omzeilt DIC dit probleem door berekening cortex stammen rechtstreeks vanuit lokale vervorming bot dus elimineren van naleving van de armatuur als een bron van fouten bij het schatten van de femorale stijfheid . De resultaten van deze afbeelding correlaties kunnen steun bij het ontwikkelen van betere QCT/FEA-modellen met inbegrip van de materiële fout en statistieken van schade en breuk. Dit kunnen uiteindelijk helpen gids therapie besluiten vooral voor osteoporotisch patiënten.
De methode heeft echter verschillende nadelen. Het bot specimen oppervlak moet gelijkmatig worden bedekt met een patroon van stochastische spikkel heeft hoog contrast met de achtergrond. Af en toe kunnen reflecties van verlichting of grote vervormingen wijzigen en de mogelijkheid voor de algoritme voor het bijhouden van het patroon precies van frame naar frame (Figuur 4). Een tweede beperking is wanneer één camera (2D) DIC is tewerkgesteld, stam berekeningen, waar het bot oppervlakte vliegtuig afwijkt wordt parallel met de camera image sensor vliegtuig14kunnen worden beïnvloed. Dit kan gebeuren wanneer de femorale oppervlakken richting van of weg van de camera tijdens het testen van de breuk draaien. We zijn het verkennen van toekomstige werkzaamheden op dit gebied toe te voegen een tweede camera en gebruik maken van 3D-DIC methoden voor verbeterde nauwkeurigheid. Tot voor kort, dergelijke methoden onbereikbaar in de instelling van een onderzoek zijn geweest maar nu steeds meer beschikbaar. Een andere beperking van de methode specifiek voor biologisch weefsel is de onzekerheid van de hechting van de verf op het oppervlak van het dijbeen. Door onze waarnemingen, dit was niet een probleem in onze test, maar een ontsporing van het dijbeen weefsel en de verf zou invloed op het resultaat. Bovendien, kan elke niet-botweefsel achtergelaten tijdens de voorbereiding van het bot verstoren cortex stam metingen. Ten slotte, de afbeeldingsinstellingen bijhouden en de dichtheid van het gaas zijn factoren die van invloed zijn op de kwaliteit van de resultaten van de analyse van DIC en moeten zorgvuldig worden overwogen.
Het huidige protocol presenteert een methode om efficiënt en consistent bereiden femorale exemplaren voor digitaal beeld correlatie analyse en voor de schatting van de corresponderende velden van de stam van hoge snelheid camera beeldvorming tijdens het testen van de breuk. Het is aangetoond in ons laboratorium opleveren consistentie over meerdere testen tijdkaders en met verschillende onderzoek personeel en exploitanten meer dan een 6 jaar periode. De procedure voor de DIC hier gepresenteerd voor femoral voorbereiding en testen kan eenvoudig worden uitgebreid naar andere typen bot.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen relevante informatie.
Acknowledgments
De auteurs bedank de materialen en de structurele testen Core in Mayo Clinic voor hun technische ondersteuning bij het uitvoeren van het testen van de breuk. Daarnaast zouden we graag Ramesh Raghupathy en Ian Gerstel bedanken voor hun hulp bij de ontwikkeling van de DIC scripts en bijzonderheden omtrent het protocol DIC tijdens hun ambtstermijn bij de Mayo Clinic, en de onderzoeksgroep Victor Barocas, Universiteit van Minnesota voor de onderliggende open sourcesoftware die voert van de kern van de digitale afbeelding correlatie stam berekeningen11. Deze studie werd financieel gesteund door het innovatiefonds Grainger sedert de grondlegging Grainger.
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).
