Een methode voor het schatten van dode foetussen dijbeen corticale stammen tijdens fractuur testen met behulp van digitale beeld correlatie
Summary
In dit protocol, worden het dijbeen oppervlakte stammen geschat tijdens fractuur testen met behulp van de digitale afbeelding correlatie techniek. De nieuwigheid van de methode gaat om toepassing van een hoog contrast stochastische spikkel patroon op het dijbeen oppervlak, zorgvuldig opgegeven verlichting, hoge snelheid video-opname en digitale beeldanalyse correlatie voor stam berekeningen.
Abstract
Dit protocol beschrijft de methode die het gebruik van digitaal beeld correlatie voor de raming van de corticale stam uit videobeelden van de hoge snelheid van de dode foetussen femorale oppervlak verkregen mechanische testen. Deze optische methode vereist een textuur van vele contrasterende fiduciaire merken op een effen witte achtergrond voor het nauwkeurig bijhouden van oppervlakte vervorming zoals laden wordt toegepast op het model. Onmiddellijk voorafgaand aan het testen, is het oppervlak van belang in de cameraweergave geschilderd met een watergedragen witte primer en toegestaan gedurende enkele minuten drogen. Dan, een zwarte verf is gespikkelde zorgvuldig over de witte achtergrond met speciale aandacht voor de zelfs grootte en vorm van de druppels. Verlichting is zorgvuldig ontworpen en zo ingesteld dat er optimaal contrast van deze merken terwijl het minimaliseren van reflecties door het gebruik van filters. Beelden werden verkregen door middel van snelle video-opname op maximaal 12.000 frames/s. De belangrijkste beelden voorafgaand aan en inclusief de fractuur gebeurtenis worden geëxtraheerd en vervormingen worden geschat tussen opeenvolgende frames in zorgvuldig formaat ondervraging windows over een bepaald gebied van belang. Deze vervormingen worden vervolgens gebruikt voor het berekenen van de oppervlakte spanning stoffelijk tijdens de test van de breuk. De gegevens van de stam is erg handig voor het identificeren van de inleiding van de breuk in het dijbeen en voor de uiteindelijke validatie van proximale dijbeen breuk sterkte modellen afgeleid van kwantitatieve berekend tomografie gebaseerde eindige Element Analysis (FEA/QCT).
Introduction
Digitale afbeelding correlatie (DIC) is een afbeelding post-processing methode die wordt gebruikt in het huidige protocol te schatten de volledige veld oppervlakte spanning van dode foetussen femorale proefstukken van tijdreeks beelden verkregen tijdens proeven van de mechanische breuk. De techniek werd eerst ontwikkeld en toegepast in experimentele spanningsanalyse in de jaren 1980 en heeft ervaren een snelle toename van het gebruik in de afgelopen jaren1,2,3. Het heeft verscheidene belangrijke voordelen ten opzichte van meer traditionele benaderingen van spanningsmeters montage op een structuur met inbegrip van ruimtelijke verspreiding van de stam-veld, fijner meten lengtes via verhoogde cameraresolutie, en het vermijden van problemen met spanningsmeter hechting van de lijm of naleving. Een groot voordeel van DIC voor biologische weefsels, zoals bot, is dat het kan worden toegepast op onregelmatige geometrieën bestaande uit zeer heterogene materiaaleigenschappen4,5. Het primaire nadeel over traditionele stam overname methoden is dat er dure high speed videocamera voldoende resolutie voor de meting van de regio van belang om voldoende ruimtelijke en temporele bemonstering te nauwkeurig schatten stam velden.
De primaire toepassing van de velden van de temporele stam verkregen botbreuk DIC analyse is voor het valideren van de ramingen van de stam in QCT/FEA modellen van femur sterkte5. Deze validatie is de focus van vele orthopedische onderzoeksgroepen die voornamelijk gebruik maken van externe metingen van kracht en de verplaatsing van de meetcellen en verplaatsing omvormers6,7,8. Bovendien zijn na breuk beeldanalyse van de breuk patroon samengevoegd met deze externe metingen als verdere vervoermiddel model validatie9. Meer recentelijk, de DIC-methode werd toegepast om te valideren van een model FEA van breuk en barst van de propagatie in de proximale dijbeen10. Door gebruik te maken van een soort correlatie tussen modellen en experimenten, nog meer vertrouwen in de geldigheid van rekenmodellen van proximale dijbenen zal worden verkregen en verder het QCT/FEA diagnostische methode dichter bij klinisch gebruik.
Dit werk legt een gedetailleerd protocol op te nemen de nodige maatregelen voor DIC analyse in breuk testen van proximale dijbenen. De procedure opgenomen de bot voorbereiding stappen van een witte verf spuiten op het oppervlak van bot en vervolgens speckling zwarte vlekken op de gedroogde witte oppervlak van het bot, methoden voor het verkrijgen van afbeeldingen met voldoende ruimtelijke en temporele resolutie met hoge snelheid video camera’s, en het proces en de hulpmiddelen die we gebruikt voor het berekenen van de stam velden uit deze beelden. Wij ook verschillende waarschuwingen die de kwaliteit van de metingen kunnen beïnvloeden uitgelegd.
Protocol
Representative Results
Discussion
We introduceerden een protocol ter voorbereiding consequent femorale monsters voor hoog contrast imaging tijdens fractuur testen die vervolgens werden gebruikt om het volledige veld stam verdelingen met DIC schatten. Dit protocol gezorgd voor passende contrast textuur van zwarte spikkels tegen een effen witte achtergrond te volgen op het oppervlak van bot. Naar aanleiding van dit protocol, we met succes de schatting van de stammen met behulp van DIC analyse voor negenentachtig dijbenen gerepliceerd.
<p class="jove_co…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedank de materialen en de structurele testen Core in Mayo Clinic voor hun technische ondersteuning bij het uitvoeren van het testen van de breuk. Daarnaast zouden we graag Ramesh Raghupathy en Ian Gerstel bedanken voor hun hulp bij de ontwikkeling van de DIC scripts en bijzonderheden omtrent het protocol DIC tijdens hun ambtstermijn bij de Mayo Clinic, en de onderzoeksgroep Victor Barocas, Universiteit van Minnesota voor de onderliggende open sourcesoftware die voert van de kern van de digitale afbeelding correlatie stam berekeningen11. Deze studie werd financieel gesteund door het innovatiefonds Grainger sedert de grondlegging Grainger.
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
- Peters, W., Ranson, W. Digital imaging techniques in experimental stress analysis. Opt Eng. 21 (3), 213427-213427 (1982).
- Kwon, O., Hanna, R. The Enhanced Digital Image Correlation Technique for Feature Tracking During Drying of Wood. Strain. 46 (6), 566-580 (2010).
- Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. W. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. Adv of Opt Methods in Exp Mech. 3, (2009).
- Grassi, L., et al. How accurately can subject-specific finite element models predict strains and strength of human femora? Investigation using full-field measurements. J Biomech. 49 (5), 802-806 (2016).
- Den Buijs, J. O., Dragomir-Daescu, D. Validated finite element models of the proximal femur using two-dimensional projected geometry and bone density. Comput Methods Programs Biomed. 104 (2), 168-174 (2011).
- Keyak, J. H., Rossi, S. A., Jones, K. A., Skinner, H. B. Prediction of femoral fracture load using automated finite element modeling. J Biomech. 31 (2), 125-133 (1998).
- Lotz, J. C., Cheal, E. J., Hayes, W. C. Fracture Prediction for the Proximal Femur Using Finite-Element Models . 1Linear-Analysis. J Biomech Eng-T Asme. 113 (4), 353-360 (1991).
- Cody, D. D., et al. Femoral strength is better predicted by finite element models than QCT and DXA. J Biomech. 32 (10), 1013-1020 (1999).
- Dragomir-Daescu, D., et al. Robust QCT/FEA models of proximal femur stiffness and fracture load during a sideways fall on the hip. Ann Biomed Eng. 39 (2), 742-755 (2011).
- Bettamer, A., Hambli, R., Allaoui, S., Almhdie-Imjabber, A. Using visual image measurements to validate a novel finite element model of crack propagation and fracture patterns of proximal femur. Comput Methods Biomech Biomed Eng Imaging Vis. , 1-12 (2015).
- Raghupathy, R., Barocas, V. . Robust Image Correlation Based Strain Calculator for Tissue Systems. , (2016).
- Taddei, F., et al. Subject-specific finite element models of long bones: An in vitro evaluation of the overall accuracy. J Biomech. 39 (13), 2457-2467 (2006).
- Grassi, L., et al. Accuracy of finite element predictions in sideways load configurations for the proximal human femur. J Biomech. 45 (2), 394-399 (2012).
- Gerstel, I., Raghupathy, R., Dragomir-Daescu, D. Digital Image Correlation Identifies Quantitative Characteristics in Proximal Femur Fracture Crack. ORS Annual Mtg. , (2012).
