Dijital Görüntü Korelasyon kullanma Vasküler Doku Örneklerinin Yerel düzensizliğin karakterize etmek
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
50 yılı aşkın bir araştırma zengin tarihi vasküler dokularda mekanik özelliklerini miktarının üzerinde yoğunlaştı. Bu çalışmalar daha iyi, kan damarlarının fizyolojik ve patolojik davranış hem anlama etkinliği / endovasküler cihazların uyumluluğunu ve yardım tasarımı ve mühendislik vasküler imalat 1-6 yapıları değerlendirmek için bir temel sağlamaktayız. Yumuşak doku ve mekanik özelliklerinin kurucu modelleme mekanik yanıtın doğru ölçülmesi özünde çoğu doku tipleri tarafından sergilenen mekanik heterojenite, anizotropide ve doğrusal olmama nedeniyle zordur. Ayrıca, deneysel ölçümler genellikle yerel mekanik test sırasında numune kavrama arayüzleri tanıtıldı karmaşıklıklar (örneğin, bükme, sürtünme, stres konsantrasyonları, sulanma) ve doku canlı hayvan kesilip sonra mekanik özelliklerinin kaçınılmaz geçişle şaşırmış edilir. </ p>
Bir tek eksenli çekme deneyi sert bir malzemeden yapılmış bir örnek üzerinde gerçekleştirilebilir basit mekanik testler arasında ve genellikle vasküler dokunun mekanik yanıtını değerlendirmek için kullanılır. Bu deneylerin sonuçları yerli ve mühendislik doku kaynakları için yararlı ön bilgi sağlamak ve damar duvarının 7-11 mekanik davranışına bazı tedaviler, hastalık durumları veya farmakolojik bileşiklerin etkilerini karşılaştırmak için de kullanılabilir.
Yumuşak dokuların tek eksenli mekanik test tipik olarak en yaygın olarak köpek kemiği veya halka 7,8,12-14 şeklinde nispeten düzgün geometriye sahip numuneler üzerinde gerçekleştirilir. Ancak, bu idealize edilmiş geometriler gelen önemli ayrılma nedeniyle test sistemi içinde doku diseksiyonu, izolasyon ve sıkma ile ilişkili zorluklar oluşabilir. Geometri herhangi düzensizlik sonuçta heterojen stres ve gerginlik sebebiyet verecekalanları Örnek gerçek örnek şekline bağlıdır heterojenlik, yanı sıra örnek büyüklüğüne (kulpları göre) malzemenin 9,15,16 mekanik özelliklerinin derecesi ile tek eksenli uzatma gücüne tabi tutulduğunda. Alan heterojenliklerdir önemli olduğunda, göreceli kavrama pozisyonlarına dayalı örnek gerilme hesaplamaları yanlış ve mekanik davranışları değerlendirmek için böylece yetersiz temelidir.
Video analiz sistemleri yaygın sık numune yüzeyine 17,18 uygulanan yüksek kontrastlı boya işaretlerini kullanarak, yumuşak dokuların gerilme ölçümleri için kullanılmıştır. Dijital görüntü korelasyon deformasyon öncesi ve sonrası, numune yüzeyi üzerinde gri seviye yoğunluk değerlerini karşılaştırarak tam-alan yüzey gerilimini ölçen bir optik metrolojik teknik, yumuşak doku 19-21 analizleri video bağlantılı olarak kullanılmaktadır. Dijital görüntü korelasyon çeşitli avantajları interferometr kıyasla vardırölçümler için kullanılabilir ic yöntemleri. İlk olarak, bir temassız ölçüm tekniği olarak, bu ölçüm sistemi numune etki biçimi nedeniyle malzeme özellikleri modifiye karıştırıcı etkilerini en aza indirir. İkincisi, çok daha az sıkı ölçüm ortamı gerektirir ve diğer yöntemlere göre daha hassasiyet ve çözünürlük, daha geniş bir yelpazesine sahiptir. Üçüncüsü, görüş tam bir alanı yakalama yeteneği ile donatılmış, bu teknik ortalama ve yerel mekanik yanıtları hem karakterize olabilir. Yöntemin ayrıntılı bir açıklama için, okuyucular Sutton 22 kitabını görmek için teşvik edilir.
Numune yüzeyindeki gerilme alanları elde etmek için, iki boyutlu dijital görüntü korelasyon tekniği (2D-DIC) kullanılabilir. Kısacası, numune görüntüleri yüksüz ve çeşitli yüklü devletler yakalanır. Ilk görüntü sonraki hesaplanması için bir örgü oluşturan altkümelerini (M × M piksel) olarak adlandırılan küçük karelere bölünmüş2B gerilme alanları. Deforme örnekte her karenin pozisyonu bir görüntü eşleştirme algoritması kullanılarak elde edilir. Her bir karenin hareketi daha sonra polinom uydurma ya da sonlu elemanlar enterpolasyon dahil çeşitli yöntemlerle yoluyla deformasyon degradeler ve suşları türetmek için kullanılabilir deplasman alanları verimli, görüntü-by-görüntü izlenir. Mevcut yazıda, tek eksenli çekme testi ve 2D-DIC entegrasyonu yoluyla yerli vasküler dokularda yüzey gerilme alanlarının değerlendirilmesi için ayrıntılı bir metodoloji sağlamaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Önceki çalışmalar örnek zorlanma 18,20,21,23,24 değerlendirmek için boya izleme, video yöntemleri geniş bir yelpazede kullanılan-olmasına rağmen, bugünkü amacı değerlendirilmesi için 2D-DIC ile çift tek eksenli çekme testi için kapsamlı bir metodoloji sağlamaktır vasküler doku örnekleri üzerinde yüzey suşları. Numune tek eksenli yükleme uğrar gibi yüksek çözünürlüklü kamera ve in-house görüntü analizi yazılımı ile, gerilme alanı önceden belirlenmiş bir yüzey bö…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazılım ve teknik destek İlişkili Çözümleri Incorporated (www.correlatedsolutions.com) nezaket vardı.
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).
