En el presente Protocolo, las tensiones superficiales de fémur se estiman durante la prueba de fractura mediante la técnica de correlación digital de imágenes. La novedad del método consiste en la aplicación de un patrón de punto estocástico de alto contraste en la superficie del fémur, iluminación cuidadosamente especificada, captura de vídeo de alta velocidad y análisis de correlación digital de imágenes para los cálculos de tensión.
Este protocolo describe el método mediante correlación digital de imágenes para estimar la deformación cortical de imágenes de vídeo de alta velocidad de la superficie femoral cadavérica obtenidos de ensayos mecánicos. Este método óptico requiere una textura de muchas marcas fiduciarias contraste sobre un fondo blanco sólido para el seguimiento preciso de la deformación superficial carga es aplicada a la muestra. Inmediatamente antes de la prueba, la superficie de interés en la vista de cámara es había pintada con una imprimación blanca a base de agua y deja secar durante varios minutos. Es pues, una pintura negra moteada cuidadosamente sobre el fondo blanco con la consideración especial para el tamaño y la forma de las gotas hasta. Iluminación es cuidadosamente diseñada y que es el contraste óptimo de estas marcas y reducir al mínimo reflexiones mediante el uso de filtros. Imágenes fueron obtenidas a través de la captura de vídeo de alta velocidad a hasta 12.000 fotogramas/s. Se extraen imágenes de claves del antes y el evento de fractura y deformaciones se estiman entre fotogramas sucesivos en ventanas de tamaño cuidadosamente interrogatorio sobre una región determinada de interés. Estas deformaciones se utilizan entonces para calcular la tensión superficial temporal durante la prueba de fractura. Los datos de tensión están muy útiles para determinar la iniciación de la fractura en el fémur y eventual validación de modelos de fuerza de fractura de fémur proximal derivados basados en la tomografía computada cuantitativa análisis por elementos finitos (QCT/FEA).
Correlación de imagen digital (CID) es una imagen post-procesamiento de método que se utiliza en el protocolo actual para estimar la tensión superficial de campo completo de probetas cadavérico femoral de secuencia de tiempo de las imágenes obtenidas durante las pruebas de mecánica de la fractura. La técnica primero fue desarrollada y aplicada en análisis experimental en los años 80 y ha experimentado un rápido incremento en uso en estos últimos años1,2,3. Tiene varias ventajas sobre los enfoques más tradicionales de montaje de galgas extensométricas en una estructura de mayor distribución espacial del campo de tensión, de calibre más fino longitudes a través de la cámara de mayor resolución y evitar problemas con la galga de tensión Pegue la adherencia o cumplimiento. Una ventaja importante de DIC para tejidos biológicos, como los huesos, es que puede ser aplicado a geometrías irregulares que consta de4,de propiedades altamente heterogénea del material5. Su principal inconveniente sobre métodos de adquisición de la tradicional cepa es que requiere costosos alta velocidad cámaras de vídeo de resolución suficiente para la medición de la región de interés para lograr suficiente espacial y temporal de muestreo a exactamente calcular campos de tensión.
La principal aplicación de los campos de tensión temporal de fractura ósea análisis DIC es validar las estimaciones de variedad en modelos QCT/FEA de fuerza femoral5. Dicha validación es el foco de muchos grupos de investigación ortopédica que predominantemente utilizan mediciones remotas de fuerza y desplazamiento de celdas de carga y transductores de desplazamiento6,7,8. Además, análisis de imagen de fractura después del patrón de fractura se ha combinado con estas mediciones remotas como otros medios de validación de modelo9. Más recientemente, se aplicó el método DIC para validar un modelo FEA de fractura y crack propagación en el fémur proximal10. Utilizando la correlación de la tensión entre los modelos y experimentos, incluso más confianza en la validez de los modelos computacionales de los fémures proximales se obtendrá y avanzar el uso más cercano de la clínica del método de diagnóstico de QCT/FEA.
Este trabajo explica un protocolo detallado para incorporar las medidas necesarias para el análisis DIC en la prueba de fractura de fémur proximal. El procedimiento incluye los pasos de preparación de hueso de rociar una pintura blanca sobre la superficie del hueso y luego moteado de manchas negras sobre la blanca superficie seca del hueso, métodos de obtención de imágenes con suficiente resolución espacial y temporal mediante alta velocidad video cámaras y el proceso y herramientas que hemos utilizado para calcular los campos de tensión de estas imágenes. También explicamos varias salvedades que puedan afectar la calidad de las mediciones.
Hemos introducido un protocolo para preparar constantemente muestras femorales para la proyección de imagen de alto contraste en pruebas que fueron utilizados para estimar las distribuciones de tensión de campo completo con DIC fractura. Este protocolo garantiza la textura adecuado contraste de negro seguimiento puntos contra un fondo blanco sólido sobre la superficie del hueso. Siguiendo este protocolo, replica con éxito la estimación de las cepas utilizando el análisis de Cid de fémures de ochenta y nueve.
<…The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer a los materiales y la base estructural de la prueba en la Clínica Mayo por su apoyo técnico en la realización de la prueba de fractura. Además nos gustaría agradecer a Ramesh Raghupathy y Ian Gerstel por su ayuda en el desarrollo de los scripts DIC y detalles específicos del protocolo DIC durante su permanencia en la Clínica Mayo y el grupo de investigación de Victor Barocas, Universidad de Minnesota para la subyacente de software de código abierto que realiza el centro de la imagen digital correlación cepa cálculos11. Este estudio fue apoyado financieramente por el fondo de innovación de Grainger de la Fundación Grainger.
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 |