El uso de Correlación Digital de Imágenes para caracterizar cepas locales en muestras de tejido vascular

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

Una rica historia de la investigación que abarca más de 50 años se ha centrado en la cuantificación de las propiedades mecánicas de los tejidos vasculares. Estos estudios nos permiten comprender mejor tanto el comportamiento fisiológico y patológico de los vasos sanguíneos, proporcionamos una base para evaluar la eficacia / compatibilidad de los dispositivos endovasculares, y la ayuda en el diseño y fabricación de vascular ingeniería construye ^1.6. Medición precisa de la respuesta mecánica de los tejidos blandos y modelización constitutiva de sus propiedades mecánicas es inherentemente un reto debido a la mecánica heterogeneidad, anisotropía, y no linealidad exhibido por la mayoría de los tipos de tejidos. Por otra parte, las mediciones experimentales son a menudo confundidos por complejidades locales introducidas en las interfaces de la muestra de agarre en el transcurso de ensayos mecánicos (es decir, la flexión, la fricción, las concentraciones de esfuerzos, desgarro) y la transición inevitable de las propiedades mecánicas una vez que el tejido se escinde del animal vivo. </ p>

Un experimento de tracción uniaxial se encuentra entre los ensayos mecánicos simples que se pueden realizar en una muestra hecha de un material sólido, y con frecuencia se utiliza para evaluar la respuesta mecánica de tejido vascular. Los resultados de estos experimentos proporcionan información preliminar útil para ambas fuentes de tejidos nativos y artificiales, y pueden ser utilizados para comparar los efectos de ciertos tratamientos, estados de enfermedad, o compuestos farmacológicos en el comportamiento mecánico de la pared vascular ^7-11.

Ensayos mecánicos uniaxial de los tejidos blandos se realiza típicamente en muestras con geometrías relativamente uniformes, que son más comúnmente de hueso de perro o en forma de anillo ^7,8,12-14. Sin embargo, desviación significativa de estas geometrías idealizadas puede ocurrir debido a los desafíos asociados con la disección de tejidos, el aislamiento y sujeción dentro del sistema de prueba. Cualquier falta de uniformidad en la geometría en última instancia, dar lugar a estrés heterogénea y la tensióncampos cuando la muestra se somete a la extensión uniaxial, con el grado de depende de la forma real de la muestra heterogeneidad, así como tamaño de la muestra (en relación con los agarres) y las propiedades mecánicas del material ^9,15,16. Cuando heterogeneidades de campo son significativos, los cálculos de deformación de la muestra en base a las posiciones de agarre relativos son inexactos y por lo tanto una base insuficiente para evaluar el comportamiento mecánico.

Sistemas de análisis de vídeo han sido ampliamente utilizados para las mediciones de deformación de los tejidos blandos, a menudo el uso de marcadores de colorante de alto contraste aplicados a la superficie de la muestra ^17,18. Correlación de imágenes digital, una técnica metrológica óptico que mide la tensión superficial de campo completo mediante la comparación de valores de intensidad de nivel de gris en la superficie de la muestra antes y después de la deformación, se ha utilizado en conjunción con vídeo análisis de los tejidos blandos ^19-21. Hay varias ventajas de la correlación de imágenes digitales en comparación con interferometric métodos que pueden ser empleados para las mediciones. En primer lugar, como una técnica de medición sin contacto, que minimiza los efectos de confusión de la modificación de las propiedades del material debido a la forma en que el sistema de medición afecta a la muestra. En segundo lugar, se requiere un ambiente mucho menos estrictas medición y tiene una gama más amplia de sensibilidad y resolución que otros métodos. En tercer lugar, dotado de la capacidad de captura de un campo de visión completo, esta técnica puede caracterizar tanto la media y las respuestas mecánicas locales. Para una explicación detallada del método, se anima a los lectores a ver el libro de Sutton ^22.

Para obtener campos de deformación en la superficie de la muestra, una técnica de correlación digital de la imagen de dos dimensiones (2D-DIC) se puede utilizar. En pocas palabras, las imágenes de la muestra son capturados en estados cargados sin carga y diversos. La primera imagen se divide en cuadrados pequeños llamados subconjuntos (M × M píxeles) que forman una malla para su posterior cálculo deCampos de deformación 2D. Se obtiene la posición de cada plaza en la muestra deformados mediante un algoritmo de imagen coincidente. El movimiento de cada cuadrado es entonces seguido, imagen por imagen, produciendo campos de desplazamiento que luego pueden ser utilizados para derivar los gradientes de deformación y las tensiones a través de una variedad de métodos, incluyendo polinomio de montaje o de elementos finitos interpolación. En el presente manuscrito, proporcionamos una metodología detallada para la evaluación de los campos de tensiones superficiales en tejidos vasculares nativas a través de la integración de los ensayos de tracción uniaxial y 2D-DIC.

Protocol

NOTA: Los procedimientos descritos a continuación se realizaron como parte de un protocolo aprobado por el Comité de Cuidado y Uso de Animales Institucional de la Universidad de Carolina del Sur en Columbia, Carolina del Sur. 1. Adquisición y disección de tejidos Esterilizar todos los instrumentos quirúrgicos antes de la disección de tejidos. Tijeras Autoclave quirúrgicos y pinzas estándar finas, así como cuchillas quirúrgicas bajo presión de 15 psi y temperatura de 121 ° C durante 15 minu…

Representative Results

Los datos mecánicos adquiridos a partir de una prueba de extensión uniaxial en rampa sobre el tejido vascular se compone de carga frente a las relaciones de desplazamiento muestra aplicada a una tasa de desplazamiento dado. En este estudio, 2D-DIC, en relación con ensayos mecánicos uniaxial se utiliza para medir los campos de deformación superficie de la muestra en direcciones ortogonales en varios estados deformados. La naturaleza viscoelástica de tejido vascular se manifiesta por…

Discussion

Aunque estudios previos han utilizado una amplia gama de métodos de vídeo de tinte de seguimiento para evaluar la tensión de la muestra ^{18,20,21,23,24,} nuestro objetivo actual es proporcionar una metodología integral para acoplar de ensayo de tracción uniaxial con 2D-DIC para la evaluación de cepas de superficie en muestras de tejido vascular. Con una cámara de alta resolución y el software de análisis de imágenes de la casa, el campo de deformación se puede medir dentro de una región de la superf…

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