Методическая статья

Использование цифровой корреляции изображения для характеристики локальных деформаций на сосудистую ткань образцов

DOI:

10.3791/53625

⸱

24 января 2016 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы описываем использование корреляции цифровых изображений для характеристики локального поля поверхностной деформации на образцах сосудистой ткани, подвергнутых одноосному испытанию на растяжение. Эти измерения способствуют точной количественной оценке механической реакции образца и созданию конститутивных соотношений напряжения-деформации.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Характеристика механического поведения биологических и инженерных мягких тканей является центральным компонентом фундаментальных биомедицинских исследований и разработки продуктов. Соотношения напряжения-деформации обычно получают на основе данных механических испытаний, что позволяет проводить сравнительную оценку образцов и в некоторых случаях идентифицировать конститутивные механические свойства. Тем не менее, ошибки могут быть введены при использовании средних измерений деформации, так как значительная неоднородность в поле деформации может быть результатом геометрической неоднородности образца и концентраций напряжений, вызванных монтажом/захватом мягких тканей в испытательной системе. Когда гетерогенность поля деформации значительна, для точной оценки механической реакции образца требуется измерение локальных деформаций. В этом исследовании демонстрируется новый протокол биомеханических испытаний для расчета локальных поверхностных деформаций с использованием устройства для механических испытаний в сочетании с камерой высокого разрешения и методом цифровой корреляции изображений. Серия изображений поверхности образца получена, а затем проанализирована для количественной оценки локальной поверхностной деформации образца сосудистой ткани, подверженного нарастающей одноосной нагрузке. Этот подход может повысить точность экспериментальной биомеханики сосудов и имеет потенциал для более широкого использования среди других нативных мягких тканей, инженерных мягких тканей и мягких гидрогелевых/полимерных материалов. В видео мы покажем, как настроить компоненты системы и провести полный эксперимент на нативной сосудистой ткани.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Богатая история исследований, охватывающих более 50 лет было сосредоточено на количественной оценке механических свойств сосудистых тканей. Эти исследования позволяют лучше понять как физиологических и патологических поведение кровеносных сосудов, обеспечивают основу для оценки эффективности / совместимость эндоваскулярных устройств, и помощь в проектирование и изготовление инженерных сосудистой строит 1-6. Точное измерение механической реакции мягких тканей и учредительного моделирования их механических свойств по сути вызов из-за механической неоднородности, анизотропии и нелинейности выставлены в большинстве типов тканей. Кроме того, экспериментальные измерения часто путает местных сложностей, введенных в образец-Grip интерфейсов в процессе механических испытаний (т.е. изгиба, трение, концентрации напряжений, разрывая) и неизбежного перехода механических свойств, как только ткань вырезали из живого животного.

Одноосный Эксперимент на растяжение является одним из самых простых механических испытаний, которые могут выполняться на образце из твердого материала, и часто используется для оценки механической реакции сосудистой ткани. Результаты этих экспериментов дают полезную информацию для предварительного своей страны и инженерных тканевых источников, и может быть использован для сравнения эффектов некоторых обработок, болезненных состояний или фармакологических соединений на механическое поведение сосудистой стенки 7-11.

Одноосное механические испытания мягких тканей, как правило, выполняется на образцах с относительно однородных геометрий, которые наиболее часто собака кости или в форме кольца 7,8,12-14. Тем не менее, существенное отклонение от этих идеализированных геометрии может произойти из-за проблем, связанных с рассечением тканей, изоляции и закрепления в системе тестирования. Любой неравномерность в геометрии, в конечном счете привести к гетерогенной напряжением и деформациейПоля, когда образец подвергали одноосного растяжения, со степенью в зависимости от фактической формы образца неоднородности, а также размер выборки (относительно рукояток) и механических свойств материала 9,15,16. При полевых неоднородности являются значительными, расчеты деформации образца на основе относительных положений рукоятки являются неточными и, таким образом, достаточным основанием для оценки механического поведения.

Системы анализа видеоданных широко используется для измерения деформации мягких тканей, часто с помощью маркеров высокого контрастного вещества, применяемые в поверхности образца 17,18. Цифровой корреляция изображения, оптический метрологическое метод, который измеряет напряжение поверхности полного поля путем сравнения значений серые интенсивности уровня по поверхности особи до и после деформации, была использована в сочетании с видео анализ мягких тканей 19-21. Есть несколько преимуществ цифровой корреляции изображения по сравнению с интерферометрIC методы, которые могут быть использованы для измерения. Во-первых, как бесконтактным измерительной техники, она сводит к минимуму смешанное воздействие изменения свойств материала в связи с тем, как система измерения влияет на образец. Во-вторых, это требует много менее жесткими измерения окружающей среды и имеет более широкий диапазон чувствительности и разрешения, чем другие методы. В-третьих, наделенный способностью захвата полного поля зрения, эта техника может характеризовать как среднее и местные механические ответов. Для подробного объяснения метода, читатели могут увидеть книгу Саттон 22.

Дл получени штамма поля на поверхности образца, двумерный цифровой техники корреляция изображений (2D-DIC) могут быть использованы. Короче говоря, изображения образца захвачены в ненагруженных и нагруженных различными государствами. Первое изображение делится на небольшие квадраты, называемых подмножества (М × М пикселей), которые образуют сетку для последующего расчетаПоля 2D деформации. Положение каждого квадрата в деформированных образцов получают с использованием алгоритма согласования изображения. Движение каждого квадрата затем отслеживается, кадр за изображения, обеспечивая поля смещений, которые затем могут быть использованы для получения деформации градиентов и штаммы с помощью различных методов, в том числе полиномиальной аппроксимации или интерполяции конечного элемента. В настоящем рукописи, мы предоставляем подробную методику оценки деформационных полях поверхности, на местных сосудистых тканей через интеграцию одноосного тестирование на разрыв и 2D-DIC.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ПРИМЕЧАНИЕ: Процедуры, описанные ниже, были проведены в рамках протокола, утвержденной Комитетом по уходу и использованию животного Институциональная в университете Южной Каролины в Колумбии, штат Южная Каролина.

1. Приобретение и тканей Рассечение

  1. Стерилизовать всех хирургических инструментов до рассечения тканей. Автоклав хирургических ножниц и тонкие стандартные щипцы, а также хирургические лезвия под давлением 15 фунтов на квадратный дюйм и температуре 121 ° С в течение 15 мин.
  2. Приобретать один набор свежих свиных (7 месячных самцов ландрас, 60-70 кг) почек с неповрежденной аорты от местного мясокомбината. Транспорт ткани обратно в лабораторию в ледяной 1% солевой буфер (PBS) раствор фосфата.
  3. Сразу же по прибытии изолировать брюшной аорты от окружающих тканей с помощью хирургических ножниц и щипцов.
  4. Промыть судну три раза с помощью шприца 50 мл, наполненную PBS (рН 7,2). Используя ножницы и щипцы, удалить столько периваскулярной ткани, как вероятныймых без ущерба для целостности образца.
  5. Вертикально расположить острым лезвием бритвы на средней части судна и убедитесь, что он перпендикулярен продольной оси сосуда. Создайте два кольцевых образцов каждый с шириной примерно 20 мм с применением три последовательных сокращений окружности с лезвием бритвы.
  6. Вертикально расположить острым лезвием бритвы на одной кольцевой пробы таким образом, что лезвие ориентирован в радиальном направлении. Применение острый силы для получения радиального распила, что приводит к полосового образца для испытаний одноосного механического. Поместите образец в 100 мм стеклянную чашку Петри и не погружать в PBS до применения поверхности зернистость. Повторите для второго образца кольцевой.

2. Создание поверхности спекл

  1. Подключите аэрограф с клапаном давления.
  2. Отрегулируйте диаметр сопла аэрографа с получением пятен 60-100 мкм (соответствующий диапазон для сопла должны диаметраопределяться из предварительных исследований).
  3. Налейте приблизительно 2 мл черного красителя ткани разметки в гравитационный питатель из аэрографа.
  4. Поместите аэрограф примерно 0,5 м от образца.
  5. Извлеките образец из чашку Петри. Спрей ткани маркировки краситель на интимы поверхности образца в течение примерно 5 секунд под давлением распыления 100 фунтов на квадратный дюйм. Повторите три раза, чтобы гарантировать, что спекл равномерно покрывает поверхность образца.

3. Выполнение экспериментов

  1. Приложить каждый конец образца пластиковой полоски (1 см толщины ширина х 1 см х 0,5 Длина см) с использованием тканевого адгезива. Поместите образец на ткани разделочной доске. Расположите образец так, чтобы он лег ровно и измерить его размеры с помощью цифрового измерителя.
  2. Инициировать управления системы для механических испытаний. На система контролирует домашний экран, выберите "Waveform" на панели задач, расположенной на вкладке "Настройка".
  3. Объявлениетолько положение верхней рукоятки механического тестера до -4 мм (4 мм расширения по отношению к назначенному исходное положение в системе). Аккуратно закрепите одну пластиковую полоску (прилагается к образцу в 3,1) в верхней рукояткой механической тестера и позволяют образец свободно висеть. Использование цифрового суппорта, чтобы гарантировать, что расстояние между образцом и верхним зажимом меньше 2 мм.
  4. Вручную отрегулировать положение нижнего зажима таким образом, чтобы свободный конец образца может быть обеспечено без расширения. Аккуратно закрепить пластиковую ленту, прикрепленную к свободному концу образца в нижним зажимом механического тестера.
    1. Использование цифрового суппорта, чтобы гарантировать, что расстояние между образцом и нижним зажимом меньше 2 мм. Нуля загрузку системы клетки. Измерение длины образца, и использовать его в качестве эталонного длины для расчета глобальных круговых штаммов.
  5. Введите протокол механических испытаний. Протокол, используемый в тего демонстрации влечет за собой 4 одноосные циклов перемещения, которые простираются длина образца на 18% при скорости сдвига 0,01 мм / сек.
  6. Периодически распыляйте PBS на образце всей оставшейся протокола тестирования для того, чтобы она остается увлажненной.
  7. Установите камеру (камера пиксела 5 мега, 100 мм объектив, размер пиксела 3,49 мкм) на штативе, который расположен 1,5 м от загрузочного кадра. Убедитесь, что камера и поверхность образца перпендикулярны, установив камеру на низкой доступной области глубине и манипулирования ее выравнивание таким образом, что все поле зрения находится в фокусе.
  8. Откройте программное обеспечение захвата изображения.
  9. Выберите "ГРР-2" в опции "Выбор системы".
  10. Выберите путь для сохранения проекта изображения, которые будут проанализированы.
  11. Нажмите на иконку "Time Square» и указать интервал приобретения по 5 сек.
  12. Отрегулируйте экспозицию, диафрагму, численное и фокус объектива так, чтобы получить четкое представление образца,
  13. Отрегулируйте положение светодиода, чтобы обеспечить достаточное освещение на образце.
  14. Нажмите на значок "Пуск" в программном обеспечении захвата изображения для получения изображения поверхности образца.
  15. Откройте программное обеспечение для анализа изображений.
  16. Импорт изображение, полученное. Нажмите на индивидуальной спекл, а затем подсчитать количество пикселей в пределах этой отдельной спекл.
    Примечание: Определить репрезентативную черный спекл. Определение размера спекл как линейное расстояние между пикселями на обеих сторонах спекл, которые имеют аналогичные высокие значения. Для приемлемого размера спекл, количество пикселей по ширине типовой спекл должно быть больше, чем 3 пикселя. Для улучшения пространственного разрешения в измерениях, большинство пятен должны не более 5-7 пикселей по ширине спекл, когда это возможно. Таким образом, типичный спекл в этом случае будет составлять от 10 мкм при наименьшей и 23 мкм при самой большой в линейном измерении. Для определения соответствующего подмножестваразмер, типичный подмножество должны иметь по крайней мере 3 белых и 3 черных пятен по всей его ширине. Если типичный спекл 5 пикселей в линейном измерении, то каждый 31x31 подмножество бы по меньшей мере 105 мкм в линейном измерении. Расстояние между центрами подмножества должно быть не менее 1/6 линейного размера. Таким образом, для размера 31x31 подмножества, расстояние 5 пикселей, который представляет 18 мкм в линейном расстоянии.
  17. После проверки качества спекл, одновременно нажмите кнопку "Выполнить" в системе и значок "Пуск" в программном обеспечении захвата изображения, чтобы начать тест.
  18. Захват серии изображений всему испытаний с использованием камеры и захвата изображения программное обеспечение.

4. Методы очистки после эксперимента

  1. Поместите отбрасываются образца в биологической мешок и закрыть мешок. Позвоните в Департамент окружающей среды и безопасности (EHS) в университете Южной Каролины для надлежащей утилизации.
  2. Подготовьте фосфатовбесплатно дезинфицирующий раствор с соотношении 1:64 разбавления моющего средства дезинфицирующего к дистиллированной воде. Замачивание хирургические инструменты в этом растворе в течение 20 мин.
  3. Тщательно промойте элементы, описанные в 4.2 дистиллированной водой. Сушат с помощью инструментов бумажное полотенце и затем распылить их с 70% -ным раствором этанола. Еще раз высушить хирургические инструменты, используя бумажное полотенце и положить их обратно в хирургическом инструментарии.

5. Анализ на изображение, чтобы измерить локальной деформации поля

  1. Откройте программное обеспечение для анализа изображений.
  2. Перейдите на вкладку "Спекл изображения", выберите все изображения, которые должны быть проанализированы.
  3. Нажмите на прямоугольник инструментом и выберите интересующую область на первом изображении.
  4. Введите подмножество размер 41 × 41 пикселей и размер шага 5 пикселей.
  5. Нажмите кнопку Пуск вкладку анализа в программном обеспечении, выберите интерполяции как оптимизированной 8-ловушки; выбрать критерий, как нулевой, нормированных квадратов разностей и весов подмножества вариант, как гауссовой.
  6. Установите пороговые параметры по умолчанию в программном обеспечении.
  7. Нажмите на вкладке в начало анализа пост-обработки подпозицию. Нажмите вычисление деформации вариант и оставить размер фильтра и тип фильтра по умолчанию в программном обеспечении. Выберите тензор типа Лагранжа.
  8. Выберите вкладку данных, а затем выбрать любой анализируемое изображение для визуализации поля деформаций поверхности.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Механические данные, полученные из испытания на одноосное наклонной расширения на сосудистой ткани состоит из нагрузки от применяемых отношений перемещения образца при заданной скорости перемещения. В этом исследовании, 2D-ДВС в сочетании с одноосной механических испытаний используется для измерения полей деформации поверхности образца в ортогональных направлениях на различных деформированных состояний. Вязкоупругая характер сосудистой ткани проявляется заметным степени гистерезиса в кри...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Хотя предыдущие исследования использовали широкий диапазон красителей для отслеживания методов оценки видео для образца штамма 18,20,21,23,24, наше настоящее цель заключается в предоставлении всеобъемлющей методологии для пара одноосном растяжении тестирования с 2D-DIC для оценки штаммы поверхности образцов, сосудистых тканей. С высокой Разрешение камеры и программного обеспечения для анализа изображений в доме, поле деформаций может быть измерена в пределах заданного участка поверхности, как образец подверга...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы не имеют потенциальные конфликты интересов.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Программное обеспечение и техническая поддержка были любезно коррелированных Solutions Incorporated (www.correlatedsolutions.com).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Одноосный механический тестер на растяжениеEnduratec3230 AT/HR
Синий краситель для маркировки тканейhttp://www.ebay.com/itm/Tissue-Marking-Dye-in-Bottles-2oz-Bottle-1-ea-/201193551510?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item2ed811f696
РаспылительAnest-iwataCM-BCustom Micron
B CameraPoint GreyGS2-GE-50S5M-C
ОбъективTokinaAT-X M100
Сосудистая тканьCaughman Inc
0,9% хлорида натрия для инъекций PBSBAXTER HEALTHCARE CORP.
Vic_snapКоррелированные решения
Vic_2Dкоррелированные решения
Wintest 4.1Bose ElectroForce
Tissue Adhesive  3М Ветбонд 1469SB
Дезинфицирующее средство Fisher Scientific04-355-13Decon BDD Bacdown моющее дезинфицирующее средство

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Holzapfel, G. A. Biomechanics of soft tissue. The handbook of materials behavior models. 3, 1049-1063 (2001).
  2. Vito, R. P., Dixon, S. A. Blood vessel constitutive models-1995-2002. Annu Rev Biomed Eng. 5, 413-439 (2003).
  3. Dodson, R. B., Martin, J. T., Hunter, K. S., Ferguson, V. L. Determination of hyperelastic properties for umbilical artery in preeclampsia from uniaxial extension tests. Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol. 169, 207-212 (2013).
  4. Chuong, C. J., Fung, Y. C. On residual stresses in arteries. J Biomech Eng. 108, 189-192 (1986).
  5. Borschel, G. H., et al. Tissue engineering of recellularized small-diameter vascular grafts. Tissue Eng. 11, 778-786 (2005).
  6. Wagenseil, J. E., Mecham, R. P. Vascular extracellular matrix and arterial mechanics. Physiol Rev. 89, 957-989 (2009).
  7. Holzapfel, G. A. Determination of material models for arterial walls from uniaxial extension tests and histological structure. J Theor Biol. 238, 290-302 (2006).
  8. Tanaka, T. T., Fung, Y. C. Elastic and inelastic properties of the canine aorta and their variation along the aortic tree. J Biomech. 7, 357-370 (1974).
  9. Sokolis, D. Passive mechanical properties and structure of the aorta: segmental analysis. Acta physiologica. 190, 277-289 (2007).
  10. Twal, W., et al. Cellularized Microcarriers as Adhesive Building Blocks for Fabrication of Tubular Tissue Constructs. Ann Biomed Eng. , 1-12 (2013).
  11. Shazly, T., et al. On the Uniaxial Ring Test of Tissue Engineered Constructs. Exp Mech. , 1-11 (2014).
  12. Kim, J., Baek, S. Circumferential variations of mechanical behavior of the porcine thoracic aorta during the inflation test. J Biomech. 44, 1941-1947 (2011).
  13. Li, L., et al. Determination of material parameters of the two-dimensional Holzapfel-Weizsacker type model based on uniaxial extension data of arterial walls. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 16, 358-367 (2013).
  14. Li, L., et al. Determination of the material parameters of four-fibre family model based on uniaxial extension data of arterial walls. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 17, 695-703 (2014).
  15. Hoeltzel, D. A., Altman, P., Buzard, K., Choe, K. I. Strip extensiometry for comparison of the mechanical response of bovine, rabbit, and human corneas. J Biomech Eng. 114, 202-215 (1992).
  16. Guo, X., Kassab, G. S. Variation of mechanical properties along the length of the aorta in C57bl/6 mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 285, H2614-H2622 (2003).
  17. Smutz, W., Drexler, M., Berglund, L., Growney, E., An, K. Accuracy of a video strain measurement system. J Biomech. 29, 813-817 (1996).
  18. Genovese, K., Lee, Y. U., Lee, A. Y., Humphrey, J. D. An improved panoramic digital image correlation method for vascular strain analysis and material characterization. J Mech Behav Biomed Mater. 27, 132-142 (2013).
  19. Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression. J Biomech Eng. 124, 557-567 (2002).
  20. Ning, J., et al. Deformation measurements and material property estimation of mouse carotid artery using a microstructure-based constitutive model. J Biomech Eng. 132, 121010(2010).
  21. Sutton, M. A., et al. Strain field measurements on mouse carotid arteries using microscopic three-dimensional digital image correlation. J Biomed Mater Res A. 84, 178-190 (2008).
  22. Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications. , Springer Science & Business Media. (2009).
  23. Verhulp, E., van Rietbergen, B., Huiskes, R. A three-dimensional digital image correlation technique for strain measurements in microstructures. J Biomech. 37, 1313-1320 (2004).
  24. Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression. Journal of Biomechanical Engineering. 124, 557-567 (2002).
  25. Franck, C., Hong, S., Maskarinec, S., Tirrell, D., Ravichandran, G. Three-dimensional full-field measurements of large deformations in soft materials using confocal microscopy and digital volume correlation. Exp Mech. 47, 427-438 (2007).
  26. Garcia, A., et al. Experimental study and constitutive modelling of the passive mechanical properties of the porcine carotid artery and its relation to histological analysis: Implications in animal cardiovascular device trials. Med Eng Phys. 33, 665-676 (2011).
  27. Miller, K. How to test very soft biological tissues in extension? J Biomech. 34, 651-657 (2001).
  28. Sutton, M. A. Springer handbook of experimental solid mechanics. , Springer. 565-600 (2008).
  29. Han, H. C., Fung, Y. C. Longitudinal strain of canine and porcine aortas. J Biomech. 28, 637-641 (1995).
  30. Sokolis, D. P. A passive strain-energy function for elastic and muscular arteries: correlation of material parameters with histological data. Med Biol Eng Comput. 48, 507-518 (2010).
  31. Zhou, B., Wolf, L., Rachev, A., Shazly, T. A structure-motivated model of the passive mechanical response of the primary porcine renal artery. J Mech Med Biol. , (2013).
  32. Zhou, B., Rachev, A., Shazly, T. The biaxial active mechanical properties of the porcine primary renal artery. J Mech Behav Biomed Mater. 48, 28-37 (2015).
  33. Sommer, G., Holzapfel, G. A. 3D constitutive modeling of the biaxial mechanical response of intact and layer-dissected human carotid arteries. J Mech Behav Biomed Mater. 5, 116-128 (2012).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Digital Image CorrelationVascular TissueLocal StrainUniaxial Tensile TestingMechanical TestingSurface StrainSpeckle PatternImage AnalysisTissue PreparationStrain Field

Похожие статьи