방법 골절 디지털 이미지 상관 관계를 사용 하 여 테스트 하는 동안 싱가포르로 대 퇴 골 피 질 긴장을 예상
Summary
이 프로토콜에서 대 퇴 골 표면 긴장 골절 디지털 이미지 상호 관계 기술을 사용 하 여 테스트 하는 동안에 견적 된다. 방법의 참신 대 퇴 골 표면, 신중 하 게 지정 된 조명, 고속 비디오 캡처 및 스트레인 계산에 대 한 디지털 이미지 상호 관계 분석에 높은 대비 확률적 얼룩 패턴의 응용 프로그램을 포함 한다.
Abstract
이 프로토콜 디지털 이미지 상관 관계를 사용 하 여 기계적 테스트에서 얻은 싱가포르로 퇴 표면의 고속 비디오 이미지에서 대뇌 피 질의 변형 추정 하는 방법을 설명 합니다. 이 광학 방법 로드는 견본에 적용 되어 단단한 흰색 배경에 많은 대조 신탁 표시의 질감을 표면 변형의 정확한 추적을 위해 필요 합니다. 테스트, 직전 카메라 보기의 표면 수성 백색 뇌관으로 그린 고 몇 분 동안 건조 수 있었습니다. 그런 다음 검은 페인트가 끝났습니다 얼룩 덜 룩 한 신중 하 게도 크기와 작은 물방울의 모양에 대 한 특별 한 고려 사항 가진 백색 배경. 조명은 신중 하 게 설계 하 고 필터를 사용 하 여 반사를 최소화 하면서 이러한 표시의 최적의 대비 되도록 설정 합니다. 이미지는 최대 12, 000 프레임/s 고속 비디오 캡처를 통해 얻은 했다. 이전 및 골절 이벤트를 포함 하 여 주요 이미지 추출 되 고 변형 관심의 지정된 된 영역을 통해 신중 하 게 크기의 심문 윈도에서 연속 프레임 사이 견적 된다. 이러한 변형 다음 골절 테스트 기간 동안 일시적으로 표면 긴장을 계산 하는 데 사용 됩니다. 스트레인 데이터 골절, 대 퇴 골 내 개시를 식별 하는 데와 근 위 대 퇴 골 골절 강도 모델 양적 단층 기반 유한 요소 분석 (QCT/FEA)에서 파생 된의 최종 유효성 검사에 대 한 매우 유용 합니다.
Introduction
디지털 이미지 상호 관계 (DIC) 후 현재 프로토콜에 기계 골절 테스트 기간 동안 얻은 시간 시퀀스 이미지에서 싱가포르로 퇴 테스트 견본의 전체 필드 표면 긴장을 추정 하는 데 사용 되는 메서드를 처리 하는 이미지입니다. 기술을 처음 개발 되었다 1980 년대에 실험적 스트레스 분석에 적용 하 고 최근 몇 년 동안1,2,3사용의 급속 한 증가 경험 했다. 그것은 몇 가지 주요 이점을 스트레인 필드의 증가 공간 배급을 포함 하 여 구조에 스트레인 게이지를 장착의 더 전통적인 방법, 세밀 하 게 통해 증가 카메라 해상도 및 스트레인 게이지와 함께 문제를 피할 길이 측정 접착제 접착 또는 준수입니다. 생물 조직, 뼈, 등에 대 한 DIC의 주요 이점은 이다 매우 이질적인 소재 속성4,5의 구성 된 불규칙 한 형상에 적용할 수 있습니다. 전통적인 스트레인 수집 방법의 주요 결점은 충분 한 공간 및 시간 샘플링을 정확 하 게 달성 하는 관심의 영역의 측정에 대 한 충분 한 해상도의 비싼 고속 비디오 카메라를 요구 한다 스트레인 필드 예상.
대 퇴 골 강도5의 QCT/FEA 모델에 스트레인 의견 확인 하 뼈 골절 DIC는 분석에서에서 얻은 시간 변형 필드의 기본 응용 프로그램이입니다. 이러한 유효성 검사는 주로 힘과 변위 로드 셀 및 변위 변환기6,7,8에서 원격 측정을 활용 하는 많은 정형 외과 연구 그룹의 초점 이다. 또한, 골절 패턴의 후 골절 이미지 분석 모델 유효성 검사9의 추가 수단으로 이러한 원격 측정으로 결합 되었습니다. 더 최근에, DIC 메서드는 골절의 FEA 모델의 유효성을 검사 하 고 근 위 대 퇴 골10전파 균열에 적용 되었습니다. 모델과 실험 사이 긴장에 상관 관계를 이용 하 여 인접 femora의 계산 모델의 타당성에 더 많은 자신감 얻을 것 이다 그리고 더 QCT/FEA 진단 방법 임상 가까이 사용을 사전.
이 작품 골절 근 위 femora의 테스트에 DIC 분석에 대 한 필요한 단계를 통합 하는 자세한 프로토콜에 설명 합니다. 절차는 뼈 표면에 흰색 페인트를 분사 하 고 뼈의 말린된 흰색 표면에 검은 반점이 다음 speckling의 뼈 준비 단계를 포함, 높은 사용 하 여 충분 한 공간 및 시간 해상도 가진 이미지를 얻기의 방법을 속도 비디오 카메라, 프로세스 그리고 우리는 이러한 이미지에서 스트레인 필드에 사용 되는 도구. 우리는 또한 측정의 품질에 영향을 미칠 수 있습니다 몇 가지 주의 사항을 설명 했다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리는 지속적으로 테스트는 다음 DIC 전체 필드 스트레인 분포를 추정 하는 데 사용 했다 골절 중 고대비 이미징 대 퇴 샘플을 준비 하는 프로토콜을 도입. 이 프로토콜 뼈 표면에 단단한 흰색 배경에 대해 speckles을 추적 하는 블랙의 적절 한 명암 질감을 보장 합니다. 이 프로토콜에 따라 우리는 성공적으로 일 femora DIC 분석을 사용 하 여 긴장의 추정을 복제.
DIC는 고속 비디오 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 골절 테스트 수행에 그들의 기술 지원에 대 한 자료와 메이 요 클리닉에서 구조 테스트 코어를 감사 하 고 싶습니다. 또한 우리 Ramesh Raghupathy과 Ian Gerstel DIC 스크립트와 DIC 프로토콜의 구체적인 내용을 메이 요 클리닉에 그들의 임기 동안 빅터 Barocas 연구 그룹, 미네소타의 대학에 대 한 개발에 그들의 도움에 감사 하 고 싶습니다는 디지털 이미지 상호 관계 긴장 계산11의 핵심을 수행 하는 기본 오픈 소스 소프트웨어. 이 연구는 Grainger 재단에서 Grainger 혁신 기금에 의해 재정적으로 지원 되었다.
Materials
| Krylon plastic primer white | Krylon, Peoria, AZ, USA | N/A | Used as a base coat for a smooth white finish on bone surface |
| Water-based acrylic white and black paint | Plaid Enterprises (Ceramcoat), Norcross, GA, USA | N/A | Paint source for white and black colors |
| Mixing bowl | Not specific (generic) | N/A | Used to mix and prepare paint |
| Foam brush | Linzer Products, Wyandanch, NY, USA | N/A | Used to apply paint on bone surface |
| Toothbrush | Colgate-Palmolive, New York, NY, USA | Firm bristle | Used to apply appropriate size and distribution of speckling pattern |
| Hygenic Orthodontic Resin (PMMA) | Patterson Dental, St Paul, MN, USA | H02252 | Controlled substance and can be purchased with proper approval |
| Kenmore Freezer | Sears Holdings, Hoffman Estates, IL, USA | N/A | Used to maintain a -20oC storage enviroment for bone specimens |
| Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride) | Baxter Healthcare, Deerfield, IL, USA | NDC 0338-0048-04 | Used for keeping specimens hydrated |
| Scalpels and scrapers | Aspen Surgical (Bard-Parker), Caledonia, MI, USA | N/A | Used to remove soft tissue from bone specimens |
| Fume Hood | Hamilton Laboratory Solutions, Manitowoc, WI, USA | 70532 | Used for ventilation when preparing PMMA for potting of specimens |
| Lighting units | ARRI, Munich, Germany | N/A | Needed for illumination of target for image capture |
| High-speed video camera | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Photron Fastcam APX-RS | Used to capture the high speed video recordings of the fracture events |
| Photron FASTCAM Imager and Viewer | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Ver.3392(x64) | Used to record and view the high speed video recordings |
| Camera lens | Zeiss, Oberkochen, Germany | Zeiss Planar L4/50 ZF Lens | Needed for appropriate image resolution |
| ABAQUS CAE | Dassault Systemès, Waltham, MA, USA | Versions 6.13-4 | Used for defining region of interest and creating finite element mesh |
| MATLAB | Mathworks, Natick, MA, USA | Version 2015b | Used for image processing and DIC analysis |
| TecPlot | TecPlot Inc., Bellevue, WA | Used for post processing of strain fields | |
| Strain Calculator Software | Victor Barocas Research Group, University of Minnesota, Minneapolis, MN, USA | http://license.umn.edu/technologies/20130022_robust-image-correlation-based-strain-calculator-for-tissue-systems | Used to calculate strain field |
| mov_frames.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to downsample uncompressed images from high speed video files |
| convert_imagesize.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to register image pixel coordinates with mesh coordinates |
| rrImageTrackGui.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to perform the image cross-correlation to obtain deformations and run Strain Calculator |
| analyzeFailurePrecursor.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to track the peak strain components temporally |
| makeMovies.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to create portable *.avi movies of the deformation components, strain components, principal strains, von Mises strain, and strain energy |
References
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