באמצעות מתאם תמונה דיגיטלי לאפיין זנים מקומיים בדגימות רקמת כלי דם
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
היסטוריה עשירה של מחקר המשתרעת על 50 שנים כבר התמקדה בכימות התכונות מכאניות של רקמות וכלי דם. מחקרים אלה מאפשרים לנו להבין טובים יותר הן ההתנהגות הפיזיולוגית ופתולוגיים של כלי דם, מספק בסיס להערכת היעילות / התאימות של התקני endovascular, וסיוע בתכנון וייצור של כלי דם מהונדסים בונה 1-6. מדידה מדויקת של התגובה המכנית של רקמות רכות ודוגמנות מכוננת של התכונות מכאניות שלהם היא מיסוד מאתגר בשל ההטרוגניות, אנאיזוטרופיה, והליניאריות המכנית הוצגה על ידי רוב סוגי רקמות. יתר על כן, מדידות ניסיוניות לעתים קרובות מבולבלות על ידי מורכבות מקומיות הציגו בממשקים מדגם אחיזה במהלך בדיקות מכאניות (כלומר, כיפוף, חיכוך, ריכוזי מתח, קורעים) והמעבר הבלתי נמנע של תכונות מכאניות של רקמות פעם הוא נכרת מהחי. </ P>
ניסוי מתיחה uniaxial הוא בין הבדיקות מכאניות הפשוטות שניתן לבצע על דגימה עשויה מחומר מוצק, ומשמש לעתים קרובות כדי להעריך את התגובה המכנית של רקמת כלי דם. תוצאות מניסויים אלה מספקים מידע ראשוני שימושי עבור שני מקורות רקמות מהונדסים והילידים, וניתן להשתמש בו כדי להשוות את ההשפעות של טיפולים מסוימים, מצבי מחלה, או תרכובות תרופתיות על ההתנהגות המכנית של כלי דם הקיר 7-11.
בדיקות מכאניות uniaxial של רקמות רכות מבוצעות בדרך כלל על דגימות בגיאומטריות אחידות יחסית, שהם נפוצים ביותר כלב-עצם או טבעת בצורה 7,8,12-14. עם זאת, יציאה משמעותית מגיאומטריות אידיאליזציה אלה יכול להתרחש עקב אתגרים הקשורים לנתיחה רקמה, בידוד, והידוק בתוך מערכת הבדיקה. כל שאינם אחיד בגיאומטריה סופו של דבר לגרום ללחץ ומתח הטרוגניתשדות כאשר המדגם הוא נתון להארכת uniaxial, עם מידת ההטרוגניות תלויה בצורת מדגם בפועל, כמו גם גודל מדגם (יחסית לעובי הקורה) ואת התכונות מכאניות של החומר 9,15,16. כאשר heterogeneities השדה הוא משמעותיים, חישובי מתח מדגם מבוססים על עמדות אחיזה היחסית הם לא מדויקים ובכך בסיס מספיק להערכת התנהגות מכאנית.
מערכות ניתוח וידאו היו בשימוש נרחב למדידות מתח של רקמות רכות, לעתים קרובות תוך שימוש בסמני צבע ניגודיות גבוהה מוחלים על פני השטח דגימת 17,18. מתאם תמונה דיגיטלי, טכניקה המטרולוגי אופטית המודדת מתח פני השטח שדה מלא על ידי השוואת ערכי עצמת רמה אפורות על פני השטח של הדגימה לפני ואחרי העיוות, בו נעשה שימוש בשילוב עם וידאו ניתוחים של רקמות רכות 19-21. ישנם מספר יתרונות של מתאם תמונה דיגיטלי לעומת interferometrשיטות IC שיכול להיות מועסק למדידות. ראשית, כטכניקת מדידה שאינה פנייה, היא ממזערת את תופעות בלבול של שינוי תכונות חומר בשל האופן שבו מערכת המדידה משפיעה על הדגימה. שנית, היא דורשת סביבת מדידה הרבה פחות מחמירה ויש לו מגוון רחב יותר של רגישות ורזולוציה יותר מאשר בשיטות אחרות. שלישית, ניחן ביכולת של לכידת שדה מלא של נוף, טכניקה זו יכולה לאפיין שני ממוצעת ותגובות מכאניות המקומיות. להסבר מפורט על השיטה, קוראים מוזמנים לראות את הספר על ידי 22 סאטון.
כדי להשיג שדות מתח על פני השטח הדגימה, טכניקת מתאם תמונה דיגיטלית דו-ממדית (2D-DIC) יכולה לשמש. בקיצור, תמונות של הדגימה נלכדות במדינות טעונות טעונים ושונות. התמונה הראשונה מחולקת לריבועים קטנים בשם תת (פיקסלים M × M) אשר יוצרים רשת לחישוב הבא שלשדות מתח 2D. עמדתו של כל ריבוע בדגימה מעוותת מתקבלת באמצעות אלגוריתם התאמת תמונה. התנועה של כל ריבוע אז מעקב, תמונה-אחרת-תמונה, מניב שדות עקירה אשר לאחר מכן ניתן להשתמש כדי להפיק הדרגתיים עיוות וזנים באמצעות מגוון רחב של שיטות, כולל אינטרפולציה אלמנט ההולמת או סופית פולינום. בכתב היד הנוכחית, אנו מספקים מתודולוגיה מפורטת להערכה של שדות מתח פני השטח על רקמות כלי דם מקומיות באמצעות שילוב של בדיקות מתיחה uniaxial ו2D-דסק"ש.
Protocol
Representative Results
Discussion
למרות שהמחקרים קודמים השתמשו במגוון רחב של שיטות מעקב וידאו-צבע להעריך מתח מדגם 18,20,21,23,24, המטרה הנוכחית שלנו היא לספק מתודולוגיה מקיפה לזוג בדיקות מתיחים uniaxial עם 2D-דסק"ש להערכה זני משטח בדגימות רקמת כלי דם. עם מצלמה ברזולוציה גבוהה ותוכנת ניתוח תמונה בבית, שד?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
התוכנה והתמיכה טכנית היו באדיבות הפתרונות Incorporated קורלציה (www.correlatedsolutions.com).
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 |
Riferimenti
- 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. Springer Science & Business Media, (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. in Springer handbook of experimental solid mechanics. 565-600, Springer, (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).
