Использование цифровой корреляции изображения для характеристики локальных деформаций на сосудистую ткань образцов
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
Богатая история исследований, охватывающих более 50 лет было сосредоточено на количественной оценке механических свойств сосудистых тканей. Эти исследования позволяют лучше понять как физиологических и патологических поведение кровеносных сосудов, обеспечивают основу для оценки эффективности / совместимость эндоваскулярных устройств, и помощь в проектирование и изготовление инженерных сосудистой строит 1-6. Точное измерение механической реакции мягких тканей и учредительного моделирования их механических свойств по сути вызов из-за механической неоднородности, анизотропии и нелинейности выставлены в большинстве типов тканей. Кроме того, экспериментальные измерения часто путает местных сложностей, введенных в образец-Grip интерфейсов в процессе механических испытаний (т.е. изгиба, трение, концентрации напряжений, разрывая) и неизбежного перехода механических свойств, как только ткань вырезали из живого животного. </ P>
Одноосный Эксперимент на растяжение является одним из самых простых механических испытаний, которые могут выполняться на образце из твердого материала, и часто используется для оценки механической реакции сосудистой ткани. Результаты этих экспериментов дают полезную информацию для предварительного своей страны и инженерных тканевых источников, и может быть использован для сравнения эффектов некоторых обработок, болезненных состояний или фармакологических соединений на механическое поведение сосудистой стенки 7-11.
Одноосное механические испытания мягких тканей, как правило, выполняется на образцах с относительно однородных геометрий, которые наиболее часто собака кости или в форме кольца 7,8,12-14. Тем не менее, существенное отклонение от этих идеализированных геометрии может произойти из-за проблем, связанных с рассечением тканей, изоляции и закрепления в системе тестирования. Любой неравномерность в геометрии, в конечном счете привести к гетерогенной напряжением и деформациейПоля, когда образец подвергали одноосного растяжения, со степенью в зависимости от фактической формы образца неоднородности, а также размер выборки (относительно рукояток) и механических свойств материала 9,15,16. При полевых неоднородности являются значительными, расчеты деформации образца на основе относительных положений рукоятки являются неточными и, таким образом, достаточным основанием для оценки механического поведения.
Системы анализа видеоданных широко используется для измерения деформации мягких тканей, часто с помощью маркеров высокого контрастного вещества, применяемые в поверхности образца 17,18. Цифровой корреляция изображения, оптический метрологическое метод, который измеряет напряжение поверхности полного поля путем сравнения значений серые интенсивности уровня по поверхности особи до и после деформации, была использована в сочетании с видео анализ мягких тканей 19-21. Есть несколько преимуществ цифровой корреляции изображения по сравнению с интерферометрIC методы, которые могут быть использованы для измерения. Во-первых, как бесконтактным измерительной техники, она сводит к минимуму смешанное воздействие изменения свойств материала в связи с тем, как система измерения влияет на образец. Во-вторых, это требует много менее жесткими измерения окружающей среды и имеет более широкий диапазон чувствительности и разрешения, чем другие методы. В-третьих, наделенный способностью захвата полного поля зрения, эта техника может характеризовать как среднее и местные механические ответов. Для подробного объяснения метода, читатели могут увидеть книгу Саттон 22.
Дл получени штамма поля на поверхности образца, двумерный цифровой техники корреляция изображений (2D-DIC) могут быть использованы. Короче говоря, изображения образца захвачены в ненагруженных и нагруженных различными государствами. Первое изображение делится на небольшие квадраты, называемых подмножества (М × М пикселей), которые образуют сетку для последующего расчетаПоля 2D деформации. Положение каждого квадрата в деформированных образцов получают с использованием алгоритма согласования изображения. Движение каждого квадрата затем отслеживается, кадр за изображения, обеспечивая поля смещений, которые затем могут быть использованы для получения деформации градиентов и штаммы с помощью различных методов, в том числе полиномиальной аппроксимации или интерполяции конечного элемента. В настоящем рукописи, мы предоставляем подробную методику оценки деформационных полях поверхности, на местных сосудистых тканей через интеграцию одноосного тестирование на разрыв и 2D-DIC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Хотя предыдущие исследования использовали широкий диапазон красителей для отслеживания методов оценки видео для образца штамма 18,20,21,23,24, наше настоящее цель заключается в предоставлении всеобъемлющей методологии для пара одноосном растяжении тестирования с 2D-DIC для оценки шта…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Программное обеспечение и техническая поддержка были любезно коррелированных Solutions 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 |
Referências
- 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. Springer Science & Business Media, (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. in Springer handbook of experimental solid mechanics. 565-600, Springer, (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).
