باستخدام ارتباط صورة رقمية لوصف سلالات المحلية على الأوعية الدموية عينات الأنسجة
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
وقد ركز تاريخ غني من الأبحاث التي تغطي أكثر من 50 عاما على قياس الخواص الميكانيكية للأنسجة وعائية. هذه الدراسات تسمح لنا أن نفهم بشكل أفضل كل من السلوك الفسيولوجية والمرضية للأوعية الدموية، وتوفير أساس لتقييم فعالية / توافق الأجهزة اللف، والمساعدة في تصميم وتصنيع الأوعية الدموية المهندسة يبني 1-6. قياس دقيق للاستجابة الميكانيكية للأنسجة لينة والنمذجة التأسيسي من خصائصها الميكانيكية يمثل تحديا بطبيعتها نظرا لعدم تجانس الميكانيكية، تباين، واستقامة التي أظهرتها معظم أنواع الأنسجة. وعلاوة على ذلك، غالبا ما مرتبك القياسات التجريبية التي التعقيدات المحلية وعرض في واجهات عينة قبضة خلال الاختبارات الميكانيكية (أي، والانحناء، والاحتكاك، وتركيزات الإجهاد، وتمزيق) والتحول الحتمي للالخواص الميكانيكية بمجرد رفعه من أنسجة الحيوانات الحية. </ P>
تجربة الشد ذو محورين من بين أبسط الاختبارات الميكانيكية التي يمكن القيام بها على عينة مصنوعة من مادة صلبة، وغالبا ما تستخدم لتقييم الاستجابة الميكانيكية للأنسجة وعائية. نتائج هذه التجارب توفر معلومات أولية مفيدة لكلا مصادر الأنسجة الأم وهندستها، ويمكن استخدامها لمقارنة تأثير بعض العلاجات، الحالات المرضية، أو المركبات الدوائية على السلوك الميكانيكي للجدار الأوعية الدموية 11/07.
وعادة ما يتم إجراء الاختبار الميكانيكي ذو محورين من الأنسجة الرخوة على عينات مع هندستها موحدة نسبيا، والتي هي الأكثر شيوعا الكلب العظام أو خاتم على شكل 7،8،12-14. ومع ذلك، يمكن أن يحدث اختلافا كبيرا من هذه الأشكال الهندسية المثالية بسبب التحديات المرتبطة تشريح الأنسجة، والعزلة، وتحامل في اختبار النظام. فإن أي عدم تماثله في الهندسة تعطي في النهاية تؤدي إلى الإجهاد والتوتر غير متجانسةالحقول عندما يتعرض العينة إلى تمديد ذو محورين، مع درجة من التجانس يعتمد على شكل عينة الفعلية، وكذلك حجم العينة (نسبة إلى السيطرة) والخواص الميكانيكية للمواد 9،15،16. عندما تكون التغاير المجال كبيرة، وحسابات سلالة العينة على أساس المواقف قبضة النسبية غير دقيقة، وبالتالي يشكل أساسا كافيا لتقييم السلوك الميكانيكي.
وقد استخدمت نظم تحليل الفيديو على نطاق واسع لقياس الضغط من الأنسجة الرخوة، وغالبا ما تستخدم علامات صبغة التباين العالي تطبيقها على سطح العينة 17،18. ارتباط الصور الرقمية، وهي تقنية المترولوجية البصرية والذي يقيس الضغط سطح كامل الحقل بمقارنة قيم الكثافة مستوى الرمادية على سطح العينة قبل وبعد التشوه، وقد تم استخدامها جنبا إلى جنب مع الفيديو تحاليل الأنسجة الرخوة 19-21. هناك العديد من المزايا الرقمية ارتباط صورة مقارنة interferometrطرق جيم التي يمكن استخدامها لقياس. أولا، كأسلوب قياس غير الاتصال، فإنه يقلل من آثار الخلط من تعديل خصائص المواد بسبب الطريقة التي نظام القياس يؤثر على العينة. ثانيا، فإنه يتطلب أقل صرامة البيئة القياس ويحتوي على مجموعة واسعة من حساسية ودقة من الطرق الأخرى. ثالثا، لديها القدرة على التقاط حقل كامل من رأي، يمكن هذا الأسلوب تميز كل من المتوسط والردود الميكانيكية المحلية. للحصول على شرح مفصل للطريقة، ونشجع القراء على رؤية كتاب ساتون (22).
للحصول على حقول الضغط على سطح العينة، وهي ثنائية الأبعاد الرقمية تقنية الصورة الارتباط (2D-DIC) يمكن استخدامها. باختصار، يتم التقاط الصور من العينة في الدول المحملة المفرغة ومختلف. يتم تقسيم الصورة الأولى إلى مربعات صغيرة تسمى فرعية (بكسل M × M) التي تشكل شبكة لحساب لاحق منالحقول سلالة 2D. يتم الحصول على موقف كل مربع في العينة المشوهة باستخدام خوارزمية صورة مطابقة. ثم يتم تعقب حركة كل مربع، صورة تلو صورة، مما أسفر عن تشريد المجالات التي يمكن استخدامها بعد ذلك لاستخلاص التدرجات تشوه والسلالات عبر مجموعة متنوعة من الطرق، بما في ذلك متعدد الحدود المناسب أو محدود عنصر الاستيفاء. في هذا المخطوط، ونحن نقدم منهجية مفصلة لتقييم مجالات سلالة على سطح الأنسجة الوعائية الأم عن طريق دمج ذو محورين اختبار الشد و2D-مدينة دبي للإنترنت.
Protocol
Representative Results
Discussion
على الرغم من أن الدراسات السابقة قد استخدمت مجموعة واسعة من الأساليب الفيديو تتبع الصبغ لتقييم عينة سلالة 18،20،21،23،24، وهدفنا هو تقديم منهجية شاملة لزوجين اختبار الشد أحادي المحور مع 2D-DIC لتقييم سلالات على سطح عينات الأنسجة الوعائية. مع كاميرا عالية الدقة وصورة …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
البرمجيات والدعم الفني كان من باب المجاملة مربوط حلول إنكوربوريتد (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. , (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).
