Dijital Görüntü Korelasyon kullanma Vasküler Doku Örneklerinin Yerel düzensizliğin karakterize etmek
24 Ocak 2016
Tek eksenli çekme testine tabi tutulan vasküler doku numuneleri üzerinde lokal yüzey gerinim alanını karakterize etmek için dijital görüntü korelasyonunun kullanımını açıklıyoruz. Bu ölçümler, numunenin mekanik tepkisinin hassas bir şekilde ölçülmesini ve yapısal gerilim-gerinim ilişkilerinin oluşturulmasını kolaylaştırır.
Bu protokolün genel amacı, vasküler doku örnekleri üzerindeki lokal yüzey gerinim alanını karakterize etmektir. Bu, tek eksenli çekme testi ile dijital bir görüntü korelasyon tekniği kullanılarak gerçekleştirilir. Bu yöntem, yumuşak doku mekaniği alanındaki temel soruları yanıtlamaya yardımcı olabilir ve özellikle vasküler dokunun giderek daha karmaşık hesaplamalı ve matematiksel modellerini tanımlamak ve geçersiz kılmak için bilgi sağlayabilir.
Bu tekniğin ana avantajı, doğal malzeme özelliklerinin, sembol geometrisinin ve kullanılan test modalitesinin bir fonksiyonu olan numune yüzeyi üzerindeki bir gerinim alanı heterogeinitesinin hassas bir şekilde ölçülmesini kolaylaştırmasıdır. Doku laboratuvara gelir gelmez, abdominal aortu cerrahi makas ve forseps kullanarak çevre dokudan izole edin. Ardından, PBS ile doldurulmuş bir şırınga kullanarak kabı üç kez yıkayın.
Yıkamaların ardından, numunenin bütünlüğünden ödün vermeden mümkün olduğunca fazla perivasküler dokuyu çıkarmak için makas ve forseps kullanın. Ardından, kabın orta kısmına, kabın uzunlamasına eksenine dik olan keskin bir tıraş bıçağı yerleştirin ve iki halka örneği elde etmek için kabı üç kez doğrayın. Ardından, radyal bir kesim yapmak için halkalardan birine bir bıçak yerleştirin.
Tek eksenli mekanik test için şerit şeklinde bir numune yapmak için halkayı sıkıca dilimleyin. Bunu her iki halkaya da yapın. İki numuneyi geçici olarak PBS'ye batırılmış 100 mm'lik bir cam petri kabında saklayın.
Numune yüzeyini beneklemek için, doku işaretleme boyası püskürtmeye hazır bir hava fırçası bulundurun. Hava fırçasını 100 psi üretecek şekilde ayarlanmış bir basınç valfine bağlayın. Ardından, doku işaretleme boyasını ekleyin.
Meme çapı, 60 ila 100 mikron arasındaki benek çapları için kalibre edilmelidir. Ardından, numunenin intimal yüzeyine yaklaşık beş saniye boyunca doku işaretleme boyası püskürtün. Benek deseninin numune yüzeyini düzgün bir şekilde kapladığından emin olmak için bunu üç kez yapın.
Başlamak için, numuneyi test cihazına monte edin. İlk olarak, numunenin her iki ucunu bir doku yapıştırıcısı kullanarak plastik bir şeride tutturun. Yapıştırıcı ile numunenin hem üstüne hem de altına plastik yerleştirin ve bir sandviç yapın.
Numuneyi bir kağıt mendil kesme tahtası üzerine düz bir şekilde yerleştirin ve ardından dijital bir kumpas kullanarak boyutlarını ölçün. Ardından, test aparatı için sistem kontrollerini başlatın. Sistem kontrolünün ana ekranında, kurulum sekmesinde bulunan görev çubuğunda dalga formunu seçin.
Ardından, sistemde belirlenen başlangıç konumuna göre 4 mm'lik bir uzatma sağlamak için mekanik test cihazının üst tutamağının konumunu eksi dört mm'ye ayarlayın. Şimdi, bir plastik şeridi mekanik test cihazının üst tutamağına nazikçe sabitleyin ve numunenin serbestçe asılmasına izin verin. Ardından, alt tutamağın konumunu, numunenin serbest ucu uzatma olmadan sabitlenebilecek şekilde ayarlayın.
Ardından, serbest uca takılan plastik şeridi test cihazının alt tutamağına nazikçe sabitleyin. Numune monte edildikten sonra sistem yük hücresini sıfırlayın. Daha sonra numunenin uzunluğunu ölçün ve bunu küresel çevresel gerinimleri hesaplarken referans uzunluk olarak kullanın.
Şimdi, yazılım kontrolünde mekanik test protokolüne girin. Burada dört adet tek eksenli yer değiştirme döngüsü uygulanmaktadır. Her döngü, saniyede 0,01 mm'lik bir yer değiştirme hızında numune uzunluğunu yüzde 18 oranında uzatır.
Testi belgelemek için birkaç saniyede bir fotoğraf çekin. Bir kamerayı yükleme çerçevesinden 1,5 m uzağa, numuneye dik olarak yerleştirin ve numuneye odaklayın. Görüntü yakalama yazılımında, seçenekte sistem seç "PGR2'yi seçin, ardından analiz edilecek görüntüleri kaydetmek için proje yolunu ayarlayın.
Zaman karesi simgesini tıklayın ve alım aralığını 5 saniye olarak belirtin. Şimdi, elde edilen görüntüyü içe aktarın. Tek bir beneği yakınlaştırın ve ardından bu tek tek benek içindeki piksel sayısını sayın.
Benek deseninin kalitesini doğruladıktan sonra, testi başlatmak için sistemdeki "çalıştır" simgesine ve görüntü yakalama yazılımındaki "başlat" simgesine aynı anda tıklayın. Protokol boyunca, kurumaması için numunenin üzerine aralıklı olarak PBS püskürtün. Ancak, bunu veri toplama sırasında değil, yüksüz durumdayken yapın.
Görüntü analiz yazılımını açtıktan sonra, benek görüntüleri "sekmesine tıklayın ve analiz edilmesi gereken tüm görüntüleri seçin. Ardından, dikdörtgen aracına tıklayın ve ilk görüntüdeki ilgi alanını seçin. Ardından, 31 x 31 piksellik bir alt küme boyutu ve beş piksellik bir adım boyutu girin.
Şimdi yazılımdaki "analizi başlat" sekmesine tıklayın ve enterpolasyonu optimize edilmiş bir 8 tuzağı olacak şekilde ayarlayın. Ayrıca, ölçütü sıfır normalleştirilmiş kare farkları ve alt küme ağırlıkları seçeneğini Gaucian olarak ayarlayın. Eşik seçeneklerini kontrol edin.
Varsayılan ayarda olmaları gerekir. Ardından, analizi başlat sekmesinin altındaki işlem sonrası alt sekmesine tıklayın. Dize hesaplama" seçeneğini belirleyin ve filtre boyutunu ve filtre türünü varsayılan olarak bırakın.
Tensör türünü Lagrange olarak ayarlayın. Son olarak, veri sekmesini seçin ve ardından yüzey gerinim alanını görselleştirmek için analiz edilen bir görüntü seçin. Tek eksenli mekanik test ile bağlantılı olarak 2D DIC, çeşitli deforme olmuş durumlarda bir vasküler doku örneğinin yüzey gerinim alanını ölçmek için kullanıldı.
Dokunun viskoelastik doğası, mekanik ön koşullandırmadan önce düşük yer değiştirme eğrilerindeki histerezis derecesi ile dikkat çekiciydi. Bununla birlikte, ön koşullandırma ile histerezis yavaş yavaş azaldı. Beklendiği gibi, yerel çevresel gerinim değerleri, uygulanan numune yer değiştirmesi ile artmıştır.
Çevresel gerinim, numune kavrama arayüzünün yakınına kıyasla genellikle numunenin merkezine yakın olarak daha azdı. Boyuna yönde, numune intimal yüzeyi üzerinde ortaya çıkan, düzgün olmayan basınç gerilmesi, numune kademeli olarak uzatıldıkça artmıştır. Tam alan gerinim ölçümleri için konturlardaki renk değişiklikleri, nominal, tek eksenli gerilme yüklemesine maruz kaldığında aortun yüksek heterojen doğasını açıkça göstermektedir.
Ortogonal yönlerdeki yüzey gerinim alanlarının varyasyon katsayıları daha sonra her deneysel durumda hesaplandı. Yüzey gerinimindeki varyasyonun, numune uzantısı ile ters bir ilişkiye sahip olduğu bulundu. Bu videoyu izledikten sonra, vasküler doku örneklerinin tek eksenli çekme testi ile birlikte dijital görüntü korelasyonu kullanılarak yerel yüzey mekanik tepkisinin nasıl ölçüleceğini iyi anlamalısınız.
Geliştirildikten sonra, bu teknik, yumuşak doku mekaniği alanındaki araştırmacıların vasküler dokunun fizyolojik, patolojik ve modüle mekanik tepkisini keşfetmelerinin yolunu açtı.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, tek eksenli çekme testine maruz bırakılan vasküler doku örneklerinde lokal yüzey gerilme alanını karakterize etmek için dijital görüntü korelasyonunun kullanımını açıklar. Bu yöntem, örneklerin mekanik tepkisini kesin olarak ölçülmesini sağlar ve yapısal gerilme-gerinme ilişkilerinin oluşturulmasına yardımcı olur.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Yumuşak doku mekaniği
- Biyomekanik
- Vasküler doku analizi
Arka Plan
- Vasküler dokuların mekanik özelliklerini anlamak, çeşitli biyomedikal uygulamalar için çok önemlidir.
- Dijital görüntü korelasyonu, deformasyonu ölçmek için kullanılan temassız bir optik yöntemdir.
- Tek eksenli çekme testi, malzemelerin mekanik davranışına dair içgörüler sağlar.
- Gerinme alanlarının karakterize edilmesi, vasküler dokuların hesaplamalı modellerinin doğrulanmasına yardımcı olabilir.
Çalışmanın Amacı
- Vasküler doku örneklerinde lokal yüzey gerilme alanını karakterize etmek.
- Yumuşak doku mekaniği anlayışını geliştirmek.
- Vasküler doku hesaplamalı modellerini doğrulamak için veri sağlamak.
Kullanılan Yöntemler
- Dijital görüntü korelasyonu tekniği.
- Vasküler doku örneklerinde tek eksenli çekme testi.
- Karın aortunu çevreleyen dokudan izole etmek.
- Teste hazırlanmak için damarın PBS ile yıkanması.
Ana Sonuçlar
- Numune yüzeyinde gerinme alanı heterojenliğinin kesin ölçümü.
- Gerinme tepkisini etkileyen içsel malzeme özelliklerinin belirlenmesi.
- Geometri ve test yönteminin gerinme ölçümleri üzerindeki etkisine dair içgörüler.
- Yapısal gerilme-gerinme ilişkilerinin geliştirilmesine destek veren veriler.
Sonuçlar
- Dijital görüntü korelasyonu tekniği, vasküler doku mekaniğini analiz etmek için etkilidir.
- Bu yöntem, hesaplamalı modelleri iyileştirmek için kritik veriler sağlar.
- Gerinme alanlarını anlamak, stres altındaki doku davranışına dair daha iyi içgörülere yol açabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
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.
