Измерение локальных деформаций тканей в сухожилиях с помощью корреляции цифровых изображений с открытым исходным кодом

Summary

В этой статье описывается алгоритм корреляции цифровых изображений с открытым исходным кодом для измерения локальных 2D-деформаций тканей в эксплантатах сухожилий. Точность метода была подтверждена с использованием нескольких методов, и она доступна для публичного использования.

Abstract

Существует значительный научный интерес к пониманию штаммов, которые испытывают сухожильные клетки in situ , и того, как эти штаммы влияют на ремоделирование тканей. Основываясь на этом интересе, было разработано несколько аналитических методов для измерения локальных деформаций тканей в сухожильных эксплантатах во время нагрузки. Однако в нескольких случаях о точности и чувствительности этих методов не сообщалось, и ни один из алгоритмов не является общедоступным. Это затруднило более широкое измерение локальных деформаций тканей в эксплантатах сухожилий. Таким образом, цель этой статьи состояла в том, чтобы создать валидированный инструмент анализа для измерения локальных тканевых деформаций в сухожильных эксплантатах, который был бы легко доступен и прост в использовании. В частности, общедоступный алгоритм дополненной лагранжевой корреляции цифровых изображений (ALDIC) был адаптирован для измерения 2D-деформаций путем отслеживания смещений ядер клеток в ахилловых сухожилиях мыши при одноосном напряжении. Кроме того, точность рассчитанных деформаций была подтверждена путем анализа изображений с цифровым преобразованием, а также путем сравнения деформаций со значениями, определенными независимым методом (т.е. фотообесцвеченными линиями). Наконец, в алгоритм был включен метод реконструкции эталонного изображения с использованием рассчитанного поля смещения, который может быть использован для оценки точности алгоритма в отсутствие известных значений деформации или вторичного метода измерения. Алгоритм способен измерять деформации до 0,1 с точностью до 0,00015. Метод сравнения реконструированного эталонного изображения с фактическим эталонным изображением успешно идентифицировал образцы, которые имели ошибочные данные, и показал, что в образцах с хорошими данными примерно 85% поля смещения было точным. Наконец, штаммы, измеренные в ахилловых сухожилиях мыши, соответствовали предыдущей литературе. Таким образом, этот алгоритм является очень полезным и адаптируемым инструментом для точного измерения локальных деформаций тканей в сухожилиях.

Introduction

Сухожилия представляют собой механочувствительные ткани, которые адаптируются и дегенерируют в ответ на механическую нагрузку 1,2,3,4. Из-за роли, которую механические стимулы играют в биологии сухожильных клеток, существует большой интерес к пониманию деформаций, которые сухожильные клетки испытывают в нативной тканевой среде во время нагрузки. Было разработано несколько экспериментальных и аналитических методов для измерения локальных деформаций тканей в сухожилиях. К ним относятся 2D/3D цифровой корреляционный анализ изображений (DIC) поверхностных деформаций с использованием либо спекл-узоров, либо фотообесцвеченных линий (PBL)^5,6,7,8, измерение изменений расстояния между центроидами и центроидами отдельных ядер в ткани^9,10 и недавний полнопольный метод 3D DIC^, который учитывает движение вне плоскости и 3D-деформации ¹¹ . Однако о точности и чувствительности этих методов сообщалось лишь в нескольких случаях, и ни один из этих методов не был обнародован, что затрудняет широкое внедрение и использование этих методов.

Цель этой работы состояла в том, чтобы создать валидированный инструмент анализа для измерения локальных деформаций тканей в эксплантатах сухожилий, который был бы легко доступен и прост в использовании. Выбранный метод основан на общедоступном алгоритме дополненной лагранжевой корреляции цифровых изображений (ALDIC), написанном в MATLAB, который был разработан Янгом и Бхаттачарьей¹². Этот алгоритм был адаптирован для анализа образцов сухожилий и проверен путем применения его к изображениям с цифровым преобразованием и сравнения штаммов, измеренных в реальных образцах сухожилий, с результатами, полученными из фотообесцвеченных линий. Кроме того, в алгоритме был реализован дополнительный функционал для подтверждения точности рассчитанного поля смещения даже при отсутствии известных значений деформации или вторичной методики измерения. Таким образом, этот алгоритм является очень полезным и адаптируемым инструментом для точного измерения локальных 2D-деформаций тканей в сухожилиях.

Protocol

Это исследование было одобрено Комитетом по уходу за животными и их использованию Университета штата Пенсильвания. 1. Подготовка тканей Для этого протокола собирают ахилловы сухожилия у 2-4-месячных самцов мышей C57BL/6.ПРИМЕЧАНИЕ: Также можно использовать ?…

Representative Results

Перед анализом полей деформации в реальных образцах тканей протокол ALDIC был сначала проверен с использованием цифровых напряженных / преобразованных изображений ядер в ахилловых сухожилиях мыши. В частности, изображения были преобразованы для получения в цифровом виде однородных деф…

Discussion

Цель этой статьи состояла в том, чтобы предоставить проверенный метод с открытым исходным кодом для измерения 2D-полей деформации в сухожилиях при растягивающей нагрузке. Основа программного обеспечения была основана на общедоступном алгоритме ALDIC¹². Этот алгоритм был встр…

Materials

5-DTAF (5-(4,6-Dichlorotriazinyl) Aminofluorescein), single isomer	ThermoFisher	D16
Calipers	Mitutoyo	500-196-30
Confocal Microscope	Nikon	A1R HD
Corning LSE Vortex Mixer	Coning	6775
DRAQ5 Fluorescent Probe Solution (5 mM)	ThermoFisher	62554
MATLAB	MathWorks	R2022b
Tensile Loading Device	N/A	N/A	Tensile loading device described in Peterson et al, 2020. (ref 13)
Tube Revolver Rotator	ThermoFisher	88881001