디지털 이미지의 상관 관계를 사용하면 혈관 조직 표본의 로컬 균주의 특성을
Summary
We describe the use of digital image correlation to characterize the local surface strain field on vascular tissue samples subjected to uniaxial tensile testing. These measurements facilitate precise quantification of the sample mechanical response and the generation of constitutive stress-strain relations.
Abstract
Characterization of the mechanical behavior of biological and engineered soft tissues is a central component of fundamental biomedical research and product development. Stress-strain relationships are typically obtained from mechanical testing data to enable comparative assessment among samples and in some cases identification of constitutive mechanical properties. However, errors may be introduced through the use of average strain measures, as significant heterogeneity in the strain field may result from geometrical non-uniformity of the sample and stress concentrations induced by mounting/gripping of soft tissues within the test system. When strain field heterogeneity is significant, accurate assessment of the sample mechanical response requires measurement of local strains. This study demonstrates a novel biomechanical testing protocol for calculating local surface strains using a mechanical testing device coupled with a high resolution camera and a digital image correlation technique. A series of sample surface images are acquired and then analyzed to quantify the local surface strain of a vascular tissue specimen subjected to ramped uniaxial loading. This approach can improve accuracy in experimental vascular biomechanics and has potential for broader use among other native soft tissues, engineered soft tissues, and soft hydrogel/polymeric materials. In the video, we demonstrate how to set up the system components and perform a complete experiment on native vascular tissue.
Introduction
오십년 이상에 걸친 연구의 풍부한 역사는 혈관 조직의 기계적 특성을 정량화에 초점을 맞추고있다. 이러한 연구는 우리가 더 혈관 병리 생리 및 동작 모두 이해 효능 / 혈관 내 장치의 호환성 및 지원 설계 및 엔지니어링 혈관의 제조 1-6 구조를 평가하기위한 기초를 제공 할 수있다. 부드러운 조직과 기계적 특성의 구성적인 모델링의 기계적 응답의 정확한 측정은 본질적으로 대부분의 조직 유형에 의해 전시 된 기계적인 이질성, 이방성 및 비선형 성으로 인해 도전하고있다. 또한, 실험 측정은 종종 지역의 기계적 시험의 과정에서 샘플 그립 인터페이스를 도입 복잡성 (즉, 굴곡, 마찰, 응력 집중, 찢어) 및 조직은 살아있는 동물에서 적출되면 기계적 성질의 피할 수없는 변화에 의해 혼동된다. </ P>
단축 인장 실험은 고체 재료로 이루어진 시험편에 대해 수행 할 수있는 간단한 기계적 시험 사이이며, 종종 혈관 조직의 기계적인 반응을 평가하는 데 사용된다. 이러한 실험 결과는 모두 천연 및 조직 공학 소스에 유용한 사전 정보를 제공하고, 혈관 벽 7-11의 기계적 동작에 대해 특정 치료, 질환 상태, 또는 화합물의 약물 학적 효과를 비교하는데 사용될 수있다.
연부 조직의 단축 기계적 시험은 일반적으로 가장 일반적으로 개 뼈 또는 링 7,8,12-14 모양의 비교적 균일 한 형상으로 샘플에서 수행됩니다. 그러나 이러한 이상화 기하학에서 중요한 출발 인해 테스트 시스템 내에서 조직의 절개, 격리 및 클램핑과 관련된 문제로 발생할 수 있습니다. 기하학의 모든 비 균일 성이 궁극적으로 이기종 스트레스와 긴장을 야기 할 것이다필드는 샘플의 실제 샘플 형상에 의존 이질성뿐만 아니라, 샘플 크기 (그립에 대하여) 및 9,15,16 재료의 기계적 성질과 정도, 축 확장을 실시하는 경우. 필드 불균질성이 중요 할 때, 상대적으로 파지 위치에 기초하여 샘플 스트레인 계산은 부정확 및 기계적 행동을 평가하기위한 기초 따라서 불충분하다.
영상 분석 시스템은 널리 종종 시편 표면 (17, 18)에인가 높은 조영제 마커를 이용하여 연부 조직의 변형률 측정 용으로 사용되어왔다. 디지털 이미지의 상관 관계, 변형 전후의 시험편의 표면에 계조 강도 값을 비교하여 전체 필드 표면 변형을 측정하는 광학 측정 학적 기법, 연조직 19-21 분석 비디오와 함께 사용되어왔다. 디지털 화상 상관의 여러 가지 이점 interferometr 비교있다측정을 위해 사용될 수있는 IC 방법. 우선, 비접촉 측정 기술로서, 이는 측정 시스템에 영향을 시험편되는 방식으로 인한 재료 특성을 수정 교란 효과를 최소화한다. 둘째, 덜 엄격한 측정 환경을 필요로하고 다른 방법에 비해 감도, 해상도의 넓은 범위를 갖는다. 셋째, 시야 전체의 캡처 기능 부여,이 기술은 평균과 지방 모두 기계적 응답을 특성화 할 수있다. 방법의 자세한 설명은 독자 서튼 (22)에 의해 책을 참조하는 것이 좋습니다.
시료 표면에 변형 필드를 획득하기 위해 2 차원 디지털 화상의 상관 기법 (2D-DIC)이 사용될 수있다. 즉, 시편의 이미지는 무부하 및 다양한로드 상태에서 캡처됩니다. 첫 번째 이미지는 후속 계산을위한 메쉬를 형성하는 부분 집합 (M × M 픽셀)라는 작은 사각형으로 나누어 져 있습니다2D 변형 필드. 변형 된 시료의 각 사각형의 위치가 이미지 매칭 알고리즘을 이용하여 획득된다. 각 정사각형의 동작은 다음의 다항식 피팅 또는 유한 요소 보간을 포함하는 다양한 방법을 통해 변형 구배 및 변형을 유도하는 데 사용할 수있는 변위 필드를 수득 화상별로 화상 추적된다. 본 논문에서는 단축 인장 시험 및 2D-DIC의 통합을 통해 네이티브 혈관 조직의 표면 변형 분야의 평가를위한 상세한 방법을 제공한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이전의 연구는 샘플 18,20,21,23,24 균주를 평가 염료 비디오 추적 방법의 넓은 범위를 사용하였으나, 우리의 목표는 본 평가 용 2D-DIC와 커플 일축 인장 시험에 포괄적 인 방법을 제공하는 것이다 혈관 조직 샘플의 표면 변형. 샘플 축성 로딩이 일어나 고해상도 카메라와 실내 이미지 분석 소프트웨어를 변형 필드는 소정의 표면 영역 내에 측정 할 수있다. 혈관 조직의 기계적 시험에 특히 관?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
소프트웨어 및 기술 지원은 상관 솔루션 통합 (www.correlatedsolutions.com)의 호의였다.
Materials
| Uniaxial tensile mechanical tester | Enduratec | 3230 AT/HR | |
| Blue tissue marking dye | http://www.ebay.com/itm/Tissue-Marking-Dye-in-Bottles-2oz-Bottle-1-ea-/201193551510?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item2ed811f696 | ||
| Sprayer | Anest-iwata | CM-B | Custom Micron B |
| Camera | Point Grey | GS2-GE-50S5M-C | |
| Lens | Tokina | AT-X M100 | |
| Vascular tissue | Caughman Inc | ||
| 0.9% Sodium Chloride Injection PBS | BAXTER HEALTHCARE CORP. | ||
| Vic_snap | Correlated Solutions | ||
| Vic_2D | Correlated Solutions | ||
| Wintest 4.1 | Bose ElectroForce | ||
| Tissue adhesive | 3M Vetbond | 1469SB | |
| Disinfectant | Fisher Scientific | 04-355-13 | Decon BDD Bacdown Detergent Disinfectant |
References
- Holzapfel, G. A. Biomechanics of soft tissue. The handbook of materials behavior models. 3, 1049-1063 (2001).
- Vito, R. P., Dixon, S. A. Blood vessel constitutive models-1995-2002. Annu Rev Biomed Eng. 5, 413-439 (2003).
- 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).
- Chuong, C. J., Fung, Y. C. On residual stresses in arteries. J Biomech Eng. 108, 189-192 (1986).
- Borschel, G. H., et al. Tissue engineering of recellularized small-diameter vascular grafts. Tissue Eng. 11, 778-786 (2005).
- Wagenseil, J. E., Mecham, R. P. Vascular extracellular matrix and arterial mechanics. Physiol Rev. 89, 957-989 (2009).
- Holzapfel, G. A. Determination of material models for arterial walls from uniaxial extension tests and histological structure. J Theor Biol. 238, 290-302 (2006).
- 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).
- Sokolis, D. Passive mechanical properties and structure of the aorta: segmental analysis. Acta physiologica. 190, 277-289 (2007).
- Twal, W., et al. Cellularized Microcarriers as Adhesive Building Blocks for Fabrication of Tubular Tissue Constructs. Ann Biomed Eng. , 1-12 (2013).
- Shazly, T., et al. On the Uniaxial Ring Test of Tissue Engineered Constructs. Exp Mech. , 1-11 (2014).
- Kim, J., Baek, S. Circumferential variations of mechanical behavior of the porcine thoracic aorta during the inflation test. J Biomech. 44, 1941-1947 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Smutz, W., Drexler, M., Berglund, L., Growney, E., An, K. Accuracy of a video strain measurement system. J Biomech. 29, 813-817 (1996).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. . Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications. , (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Miller, K. How to test very soft biological tissues in extension?. J Biomech. 34, 651-657 (2001).
- Sutton, M. A. . Springer handbook of experimental solid mechanics. , 565-600 (2008).
- Han, H. C., Fung, Y. C. Longitudinal strain of canine and porcine aortas. J Biomech. 28, 637-641 (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
