Summary

Un método para estimar las cepas Cortical fémur cadavérico durante fractura correlación Digital de imágenes usando la prueba

Published: September 14, 2017
doi:

Summary

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.

Abstract

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).

Introduction

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.

Protocol

todos los experimentos se llevaron a cabo con la aprobación de la Junta de revisión institucional. Las muestras se obtuvieron de los laboratorios de investigación anatómica en colaboración. 1. preparación de muestras para pruebas descongelar los fémures a TA por 24 h. Cuando el fémur está en cola para la prueba, retire cualquier envoltura que se aplicó antes de la congelación y el fémur con una toalla seca para eliminar cualquier humedad remanente, depósitos …

Representative Results

Antes del proceso speckling, el fémur se limpia del exceso de tejidos blando y grasa, y el trocánter mayor es potted en una taza de aluminio. Durante la solidificación de polimetilmetacrilato (PMMA), el hueso está envuelto en un paño impregnado de solución salino para evitar la sequedad del tejido. Una vez que se solidifica el PMMA, el hueso se limpia otra vez a la derecha antes de pulverizar (figura 1). Entonces, la superficie del hues…

Discussion

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.

<…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

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

  1. Peters, W., Ranson, W. Digital imaging techniques in experimental stress analysis. Opt Eng. 21 (3), 213427-213427 (1982).
  2. Kwon, O., Hanna, R. The Enhanced Digital Image Correlation Technique for Feature Tracking During Drying of Wood. Strain. 46 (6), 566-580 (2010).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Raghupathy, R., Barocas, V. . Robust Image Correlation Based Strain Calculator for Tissue Systems. , (2016).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Gerstel, I., Raghupathy, R., Dragomir-Daescu, D. Digital Image Correlation Identifies Quantitative Characteristics in Proximal Femur Fracture Crack. ORS Annual Mtg. , (2012).
check_url/pt/54942?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Rossman, T., Uthamaraj, S., Rezaei, A., McEligot, S., Giambini, H., Jasiuk, I., Yaszemski, M. J., Lu, L., Dragomir-Daescu, D. A Method to Estimate Cadaveric Femur Cortical Strains During Fracture Testing Using Digital Image Correlation. J. Vis. Exp. (127), e54942, doi:10.3791/54942 (2017).

View Video