Verwenden von Bildkorrelation Lokale Stämme auf Gefäßgewebeproben zu charakterisieren
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
Eine reiche Geschichte der Forschung überspannt mehr als 50 Jahren hat sich auf die Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften von Gefäßgewebe konzentriert. Diese Untersuchungen ermöglichen es uns, sowohl die physiologische und pathologische Verhalten der Blutgefäße besser zu verstehen, eine Grundlage für die Bewertung der Wirksamkeit / Verträglichkeit der endovaskulären Prothesen und Hilfsmittel bei der Konstruktion und Herstellung von technischen Gefäßkonstrukte 1-6. Genaue Messung der mechanischen Reaktion des Weichgewebes und konstitutive Modellierung ihrer mechanischen Eigenschaften inhärent herausfordernd aufgrund der mechanischen Heterogenität Anisotropie und Nichtlinearität durch die meisten Gewebetypen zeigten. Außerdem sind experimentelle Messungen oft von lokalen Komplexität bei Probe Griff Schnittstellen im Verlauf der mechanischen Prüfung eingeführt (dh Biegung, Reibung, Spannungskonzentrationen, Reißen) und der unvermeidlichen Übergang der mechanischen Eigenschaften, wenn Gewebe von lebenden Tier herausgeschnitten verwechselt. </ p>
Einachsiges -Zugversuch gehört zu den einfachsten mechanischen Tests, die an einer Probe aus einem festen Material durchgeführt werden können, und wird oft verwendet, um die mechanische Antwort des vaskulären Gewebes zu bewerten. Ergebnisse dieser Experimente liefern nützliche Vorabinformationen zu den beiden einheimischen und konstruiert Gewebequellen, und kann verwendet werden, um die Auswirkungen von bestimmten Behandlungen, Krankheitszuständen oder pharmakologische Verbindungen auf das mechanische Verhalten der Gefäßwand 7-11 vergleichen.
Einachsige mechanische Prüfung von Weichteilen wird in der Regel anhand von Proben mit relativ einheitliche Geometrien, die am häufigsten Hundeknochens oder ringförmigen 7,8,12-14 ausgeführt. Jedoch können deutliche Abkehr von diesen idealisierten Geometrien aufgrund Herausforderungen Gewebedissektion, Isolierung und Klemm innerhalb des Testsystems zugeordnet sind kommen. Jede Ungleichförmigkeit in der Geometrie wird letztlich führen zu heterogen Spannung und DehnungFelder, wenn die Probe auf uniaxiale Dehnung unterworfen wird, wobei der Grad der Heterogenität unabhängig von der tatsächlichen Probenform sowie Probengröße (bezogen auf den Griff) und die mechanischen Eigenschaften des Materials 9,15,16. Wenn Feld Heterogenitäten sind signifikant, Probe-Stamm-Berechnungen auf der Grundlage der relativen Griffpositionen sind ungenau und somit eine unzureichende Grundlage für die Beurteilung mechanische Verhalten.
Video-Analyse-Systeme sind weit verbreitet für Dehnungsmessungen der Weichteile verwendet, die oft mit hohem Kontrast zur Probenoberfläche aufgebracht 17,18 Farbstoffmarker. Digitale Bildkorrelation, einem optischen metrologischen Technik, die Vollfeld Oberflächenbelastung, die durch den Vergleich Graustufenintensitätswerte auf der Probenoberfläche vor und nach der Verformung misst, in Verbindung mit Video verwendet Analysen der Weichteile 19-21. Es gibt mehrere Vorteile der digitalen Bildkorrelation verglichen mit interferometrIC-Methoden, die für die Messungen eingesetzt werden können. Erstens als berührungslose Messverfahren minimiert er die verwirrende Wirkungen der Änderung von Stoffeigenschaften aufgrund der Art, in der das Meßsystem beeinflußt die Probe. Zweitens erfordert es eine viel weniger strengen Messumgebung und hat einen breiteren Bereich von Empfindlichkeit und Auflösung als andere Methoden. Drittens, mit der Fähigkeit zur Erfassung einer vollständigen Gesichtsfeld ausgestattet ist, kann diese Technik sowohl den Durchschnitt und die lokalen mechanischen Reaktionen zu charakterisieren. Ausführliche Erläuterung des Verfahrens werden die Leser aufgefordert, das Buch von Sutton 22 zu sehen.
Zu Spannungsfeldern auf der Probenoberfläche zu erhalten, kann eine zweidimensionale digitale Bildkorrelationstechnik (2D-DIC) eingesetzt werden. Kurz gesagt, werden die Bilder der Probe bei unbelastetem und verschiedene geladene Zustände erfasst. Das erste Bild wird in kleine Quadrate genannt Teilmengen (M × M Pixel), die ein Gitter für nachfolgende Berechnung bilden geteilt2D Spannungsfelder. Die Position jedes Quadrat in den verformten Probe wird unter Verwendung eines Bildabgleichalgorithmus erhalten. Die Bewegung jedes Quadrates wird dann verfolgt, Bild-für-Bild, wodurch Verschiebungsfelder, die dann verwendet werden kann, um eine Verformung Gradienten und Spannungen über eine Vielzahl von Verfahren, einschließlich Polynomanpassung oder Finite-Elemente-Interpolation abgeleitet werden. In dem vorliegenden Manuskript, bieten wir eine detaillierte Methodik für die Bewertung der Oberflächenspannungsfelder auf nativen Gefäßgewebe über Integration von einachsigen Zugversuch und 2D-DIC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Obwohl frühere Studien haben eine breite Palette von Farbstoff-Tracking-Video-Methoden zur Probendehnungs 18,20,21,23,24 zu bewerten, ist unser gegenwärtiges Ziel, eine umfassende Methodik zur Kopplung einachsigen Zugversuch mit 2D-DIC für die Bewertung liefern Oberflächen Belastungen für vaskuläre Gewebeproben. Mit einer hochauflösenden Kamera und Inhouse-Bildanalyse-Software kann das Spannungsfeld innerhalb eines vorbestimmten Oberflächenbereich gemessen werden, wenn die Probe erfährt einachsiger B…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Software und technische Unterstützung wurden mit freundlicher Genehmigung von Correlated Lösungen Incorporated (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 |
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