طريقة لتقدير سلالات القشرية عظم الفخذ المأخوذة أثناء الكسر تجارب باستخدام ارتباط الصورة الرقمية
Summary
في هذا البروتوكول، يقدر سلالات السطحية عظم الفخذ أثناء اختبار الكسر باستخدام تقنية ارتباط الصورة الرقمية. جدة الأسلوب الذي ينطوي على تطبيق نمط البقع واللطخ العشوائية عالية التباين على سطح عظم الفخذ والإضاءة المحددة بعناية، والتقاط الفيديو عالية السرعة، وتحليل الارتباط الصورة الرقمية لسلالة العمليات الحسابية.
Abstract
ويصف هذا البروتوكول أسلوب باستخدام ارتباط الصورة الرقمية لتقدير سلالة القشرية من صور الفيديو عالية السرعة من السطح فخذي الجثة التي تم الحصول عليها من اختبار الميكانيكية. يتطلب هذا الأسلوب البصري مادة للعديد من علامات ائتمانية المتناقضة على خلفية بيضاء صلبة للتتبع الدقيق للتشوه السطحي كما يتم تطبيق تحميل للعينة. مباشرة قبل الاختبار، رسمت مع أول كتاب أبيض المستندة إلى الماء سطح الاهتمام في عرض الكاميرا ويسمح الجاف لعدة دقائق. ثم، وطلاء أسود الأرقط بعناية على خلفية بيضاء مع إيلاء اعتبار خاص لحجم وشكل القطرات حتى. الإضاءة بعناية مصممة وتعيين أن هناك تباين الأمثل لهذه العلامات مع التقليل من انعكاسات استخدام عوامل التصفية. تم الحصول على الصور من خلال التقاط الفيديو عالية السرعة في إطارات تصل إلى 12,000/s. يتم استخراج الصور الرئيسية وقد قبل ذلك الحدث الكسر وتشوهات تقدر بين إطارات متتالية في الاستجواب بدقة الحجم windows عبر منطقة الاهتمام محددة. ثم يتم استخدام هذه التشويهات لحساب التوتر السطحي وقتيا أثناء اختبار الكسر. البيانات سلالة مفيد جداً لتحديد بدء كسر في عظم الفخذ، والمصادقة في نهاية المطاف من كسر عظم الفخذ الدانية قوة نماذج مستمدة من “تحليل العناصر المحدودة” على أساس “الكمية المحسوبة التصوير المقطعي” (قكت/الهيئة الاتحادية للبيئة).
Introduction
ارتباط الصورة الرقمية (DIC) هي صورة بعد المعالجة الطريقة المستخدمة في البروتوكول الحالي لتقدير سلالة السطحية حقل كامل من العينات المأخوذة من اختبار فخذي من الوقت-تسلسل الصور التي تم الحصول عليها من خلال اختبارات ميكانيكية الكسر. التقنية وضعت أولاً وتطبيقها في تحليل الإجهاد التجريبي في ثمانينيات القرن الماضي وشهدت زيادة سريعة في استخدامها في السنوات الأخيرة1،،من23. فقد العديد من المزايا الرئيسية النهج التقليدية أكثر من تصاعد الانفعال على هيكل بما في ذلك زيادة التوزيع المكاني لحقل سلالة، الدقيقة في قياس أطوال من خلال الكاميرا زيادة الدقة، وتجنب القضايا مع قياس الضغط التصاق الغراء أو الامتثال. وميزة رئيسية لمدينة دبي للإنترنت للأنسجة البيولوجية، مثل العظام، وأنه يمكن تطبيقها على الهندسات غير النظامية تتألف من خصائص المواد غير المتجانسة عالية4،5. العيب الرئيسي فيها على أساليب اقتناء سلالة التقليدية أنه يتطلب تكلفة عالية السرعة كاميرات الفيديو القرار كافية لقياس المنطقة لمصلحة تحقيق كافية المكانية والزمانية أخذ العينات بدقة تقدير سلالة الحقول.
التطبيق الأساسي الحقول الضغوط الزمنية التي تم الحصول عليها من كسور العظام تحليل DIC التحقق من صحة تقديرات السلالة في نماذج قكت/الهيئة الاتحادية لقوة فخذي5. التحقق من صحة هذا هو محور العديد من المجموعات البحثية العظام التي يغلب استخدام القياسات عن بعد للقوة والتشريد من خلايا الحمل والتشرد محولات الطاقة6،،من78. وباﻹضافة إلى ذلك، تحليل الصور بعد كسر نمط الكسر قد اقترن بهذه القياسات عن بعد كوسيلة إضافية ل التحقق من صحة نموذج9. في الآونة الأخيرة، تم تطبيق الأسلوب DIC التحقق من صحة نموذج الهيئة الاتحادية للكسر ونشر في عظم الفخذ الدانية10الكراك. عن طريق استخدام سلالة الارتباط بين نماذج وتجارب، حتى المزيد من الثقة في صلاحية النماذج الحسابية فيمورى الدانية سيتم الحصول عليها والمضي قدما باستخدام أسلوب التشخيص قكت/الهيئة الاتحادية للبيئة أقرب إلى السريرية.
هذا العمل يشرح بروتوكول مفصل لإدراج الخطوات اللازمة لتحليل DIC في اختبار الكسر فيمورا الدانية. الإجراء وشملت خطوات إعداد العظام رش طلاء أبيض على سطح العظام والتنقيط ثم بقع سوداء على السطح الأبيض المجفف من العظام، أساليب للحصول على صور مع القرار المكانية والزمانية يكفي استخدام عالية السرعة فيديو الكاميرات، والعملية والأدوات التي استخدمناها للحوسبة حقول سلالة من هذه الصور. لقد شرحنا أيضا العديد من المحاذير التي قد تؤثر على نوعية القياسات.
Protocol
Representative Results
Discussion
قدمنا بروتوكول لاستمرار إعداد عينات فخذي لتصوير عالي التباين خلال كسر التجارب التي استخدمت ثم لتقدير توزيعات سلالة الميداني الكامل مع مدينة دبي للإنترنت. كفل هذا البروتوكول مادة التباين المناسب الأسود تتبع البقع على خلفية بيضاء صلبة على سطح العظم. في أعقاب هذا البروتوكول، نحن منسوخة بنج…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلف يود أن يشكر المواد والهيكلية الأساسية اختبار في “عيادة مايو كلينيك” لدعمها التقني لأداء اختبار الكسر. وبالإضافة إلى ذلك نود أن نشكر راغوباثي راميش وإيان جيرستيل لمساعدتها في تطوير البرامج النصية DIC والتفاصيل المحددة للبروتوكول DIC أثناء خدمتهم في “عيادة مايو كلينيك”، وفيكتور Barocas مجموعة الأبحاث، جامعة مينيسوتا البرمجيات المفتوحة المصدر الأساسي الذي يقوم بجوهر العمليات الحسابية سلالة ارتباط الصورة الرقمية11. هذه الدراسة كان يدعمها ماليا في “الصندوق الابتكار غرينجر” من مؤسسة غرينجر.
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 |
Referências
- 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).
