Usando Correlação Digital de Imagem para caracterizar as cepas de locais vasculares amostras de tecido

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

A rica história da pesquisa que abrange mais de 50 anos tem sido focada em quantificar as propriedades mecânicas dos tecidos vasculares. Estes estudos permitem-nos compreender melhor tanto o comportamento fisiológico e patológico dos vasos sanguíneos, fornecer uma base para a avaliação da eficácia / compatibilidade dos dispositivos endovasculares, e ajuda no projeto e fabricação de engenharia vascular constrói ^1-6. A medição precisa da resposta mecânica dos tecidos moles e modelação de suas propriedades mecânicas é inerentemente difícil devido à heterogeneidade mecânica, anisotropia, não-linearidade e exibido pela maioria dos tipos de tecidos. Além disso, as medições experimentais são muitas vezes confundidos pelas complexidades locais introduzidas nas interfaces amostra aderência no decorrer de ensaios mecânicos (ie, flexão, fricção, as concentrações de tensão, rasgando) e a transição inevitável das propriedades mecânicas, uma vez tecido é cortado do animal vivo. </ p>

Uma experiência à tracção uniaxial está entre os ensaios mecânicos mais simples que podem ser executadas em uma amostra feita de um material sólido, e é muitas vezes utilizado para avaliar a resposta mecânica do tecido vascular. Os resultados destas experiências proporcionar informação preliminar útil para ambas as fontes de tecido nativo e artificiais, e pode ser utilizado para comparar os efeitos de determinados tratamentos de estados de doença, ou compostos farmacológicos sobre o comportamento mecânico da parede vascular ^7-11.

Uniaxial teste mecânico de tecidos moles é tipicamente realizada em amostras com geometrias relativamente uniformes, os quais são mais comumente cão-do osso ou em forma de anel ^7,8,12-14. No entanto, afastamento significativo destas geometrias idealizadas pode ocorrer devido a problemas associados com dissecção do tecido, isolamento, e de aperto dentro do sistema de testes. Qualquer falta de uniformidade na geometria acabará por dar origem ao estresse e tensão heterogêneocampos quando a amostra é submetida a extensão uniaxial, com o grau de heterogeneidade dependente da forma real da amostra, assim como o tamanho da amostra (em relação aos apertos) e as propriedades mecânicas do material ^9,15,16. Quando heterogeneidades de campo são significativos, os cálculos amostra de tensão com base nas posições de aperto relativos são imprecisos e, portanto, uma base suficiente para avaliar o comportamento mecânico.

Sistemas de análise de vídeo têm sido amplamente utilizados para medições de deformação dos tecidos moles, muitas vezes usando marcadores corantes alto contraste aplicadas à superfície da amostra ^17,18. Correlação de imagem digital, uma técnica que mede metrológico óptica de campo total da superfície de tensão, comparando valores de intensidade de nível de cinzento na superfície da amostra antes e após a deformação, tem sido utilizado em conjunto com análises de vídeo de tecidos moles ^19-21. Existem várias vantagens de correlação de imagens digitais em comparação com interferometric métodos que podem ser utilizados para as medições. Em primeiro lugar, como uma técnica de medição sem contacto, que minimiza os efeitos de confusão de modificar as propriedades do material, devido à forma em que o sistema de medição afecta o espécime. Em segundo lugar, é necessário um ambiente de medição muito menos rigoroso e tem uma gama mais alargada de sensibilidade e resolução do que outros métodos. Em terceiro lugar, dotado com a capacidade de capturar um campo cheio de vista, esta técnica pode caracterizar a média e as respostas mecânicas locais. Para uma explicação detalhada do método, os leitores são encorajados a ver o livro de Sutton ^22.

Para obter campos de deformação na superfície da amostra, uma técnica de correlação de imagem digital bidimensional (2D-DIC) pode ser usado. Em suma, as imagens da amostra são capturados em estados carregados e descarregados diversos. A primeira imagem é dividida em pequenos quadrados chamados subconjuntos (M × M) pixels que formam uma malha para posterior cálculoCampos de deformação 2D. A posição de cada quadrado na amostra deformadas é obtida utilizando um algoritmo de imagem correspondente. O movimento de cada quadrado é, em seguida, rastreados, imagem-a-imagem, produzindo campos de deslocamento que podem então ser utilizadas para derivar estirpes de gradientes de deformação e através de uma variedade de métodos, incluindo interpolação polinomial da montagem ou elemento finito. No presente manuscrito, nós fornecemos uma metodologia detalhada para avaliação dos campos de tensão de superfície em tecidos vasculares nativas por meio da integração de testes de tração uniaxial e 2D-DIC.

Protocol

NOTA: Os procedimentos descritos abaixo foram realizadas como parte de um protocolo aprovado pelo Comitê de Cuidado e Uso do animal Institucional da Universidade da Carolina do Sul, em Columbia, Carolina do Sul. 1. Tissue Aquisição e Dissection Esterilizar todas as ferramentas cirúrgicas anteriores a dissecção dos tecidos. Autoclave tesouras cirúrgicas finas e fórceps convencionais, bem como lâminas cirúrgicas sob pressão de 15 psi e temperatura de 121 ° C durante 15 min. Adquiri…

Representative Results

Os dados mecânicos adquiridos a partir de um teste de extensão uniaxial rampa no tecido vascular consiste de carga versus aplicados relações deslocamento amostra a uma dada taxa de deslocamento. Neste estudo, 2D-DIC em conjunto com o teste mecânico uniaxial é utilizado para medir os campos de deformação da superfície do espécime em direcções ortogonais em vários estados deformados. A natureza viscoelástica do tecido vascular é manifestada pela notável grau de histerese na…

Discussion

Embora estudos anteriores tenham utilizado uma ampla gama de métodos de vídeo-monitoramento de corante para avaliar a amostra estirpe ^{18,20,21,23,24,} o nosso objectivo presente é o de proporcionar uma metodologia abrangente para casal uniaxial de ensaio de tração com 2D-DIC para a avaliação do estirpes de superfície em amostras de tecidos vasculares. Com uma câmara de alta resolução e software de análise de imagem interna, o campo de tensão pode ser medida dentro de uma zona de superfície pré-d…

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