डिजिटल छवि सहसंबंध का उपयोग संवहनी ऊतक नमूनों पर स्थानीय खींच विशेषताएँ
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
50 साल से अधिक फैले अनुसंधान का एक समृद्ध इतिहास संवहनी ऊतकों के यांत्रिक गुणों को बढ़ाता पर ध्यान केंद्रित किया गया है। इन अध्ययनों से हमें बेहतर, रक्त वाहिकाओं के शारीरिक और रोग व्यवहार दोनों को समझने प्रभावकारिता / अंतर्वाहिकी उपकरणों की अनुकूलता, और सहायता डिजाइन में और इंजीनियर की नाड़ी का निर्माण 1-6 निर्माणों के मूल्यांकन के लिए एक आधार प्रदान करने के लिए अनुमति देते हैं। मुलायम ऊतकों और उनके यांत्रिक गुणों के विधान मॉडलिंग के यांत्रिक प्रतिक्रिया का सही माप स्वाभाविक सबसे प्रकार के ऊतकों द्वारा प्रदर्शित यांत्रिक विविधता, anisotropy, और nonlinearity के कारण चुनौती दे रहा है। इसके अलावा, प्रयोगात्मक माप अक्सर स्थानीय यांत्रिक परीक्षण के पाठ्यक्रम में नमूना पकड़ इंटरफेस में शुरू की जटिलताओं (यानी, झुकने, घर्षण, तनाव सांद्रता, फाड़) और ऊतक रहने वाले जानवर से excised है एक बार यांत्रिक गुणों का अपरिहार्य संक्रमण से चकित हैं। </ P>
एक अक्षीय तन्यता प्रयोग एक ठोस सामग्री से बना एक नमूना पर प्रदर्शन किया जा सकता है कि सबसे सरल यांत्रिक परीक्षण के बीच में है, और अक्सर संवहनी ऊतक के यांत्रिक प्रतिक्रिया का आकलन करने के लिए प्रयोग किया जाता है। इन प्रयोगों से परिणाम दोनों देशी और इंजीनियर ऊतक स्रोतों के लिए उपयोगी प्रारंभिक जानकारी प्रदान करते हैं, और नाड़ी की दीवार 11/07 के यांत्रिक व्यवहार पर कुछ उपचार, रोग राज्यों, या औषधीय यौगिकों के प्रभाव की तुलना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
मुलायम ऊतकों की अक्षीय यांत्रिक परीक्षण आम तौर पर सबसे अधिक इस्तेमाल कुत्ते की हड्डी या अंगूठी 7,8,12-14 आकार के हैं, जो अपेक्षाकृत वर्दी ज्यामिति, साथ नमूनों पर किया जाता है। हालांकि, इन idealized geometries से महत्वपूर्ण प्रस्थान के कारण परीक्षण प्रणाली के भीतर ऊतक विच्छेदन, अलगाव, और clamping के साथ जुड़े चुनौतियों के लिए हो सकता है। ज्यामिति में किसी भी गैर एकरूपता अंततः विषम तनाव और तनाव को जन्म देगाखेतों नमूना वास्तविक नमूना आकार पर निर्भर विविधता, साथ ही नमूने का आकार (पकड़ती के सापेक्ष) और सामग्री 9,15,16 के यांत्रिक गुणों की डिग्री के साथ, एक अक्षीय विस्तार के अधीन है जब। क्षेत्र विषमताओं महत्वपूर्ण हैं, जब रिश्तेदार पकड़ पदों पर आधारित नमूना तनाव गणना गलत और यांत्रिक व्यवहार का आकलन करने के लिए इस प्रकार एक अपर्याप्त आधार हैं।
वीडियो विश्लेषण प्रणाली में व्यापक रूप से अक्सर नमूना सतह 17,18 के लिए लागू उच्च विपरीत डाई मार्कर का उपयोग, कोमल ऊतकों के तनाव माप के लिए इस्तेमाल किया गया है। डिजिटल छवि सहसंबंध, विरूपण पहले और बाद में नमूना की सतह पर ग्रे स्तर तीव्रता मूल्यों की तुलना द्वारा पूरे क्षेत्र की सतह तनाव उपाय जो एक ऑप्टिकल metrological तकनीक, कोमल ऊतकों 19-21 के विश्लेषण के वीडियो के साथ संयोजन के रूप में इस्तेमाल किया गया है। डिजिटल छवि सहसंबंध के कई फायदे interferometr की तुलना में कर रहे हैंमापन के लिए नियोजित किया जा सकता है कि आईसी तरीकों। सबसे पहले, एक गैर संपर्क माप तकनीक के रूप में, यह माप प्रणाली नमूना को प्रभावित करता है जिस तरह के कारण सामग्री के गुणों को संशोधित करने के confounding प्रभाव को कम करता है। दूसरा, यह एक बहुत कम कड़े माप वातावरण की आवश्यकता है और अन्य तरीकों से संवेदनशीलता और संकल्प की एक व्यापक रेंज है। तीसरा, देखने का एक पूरा क्षेत्र पर कब्जा करने की क्षमता के साथ संपन्न, इस तकनीक के औसत और स्थानीय यांत्रिक प्रतिक्रियाओं दोनों चिह्नित कर सकते हैं। विधि का विस्तृत विवरण, पाठकों सटन 22 से किताब देखने के लिए प्रोत्साहित किया जाता है।
नमूना सतह पर तनाव क्षेत्रों प्राप्त करने के लिए, एक दो आयामी डिजिटल छवि सहसंबंध तकनीक (2 डी डीआईसी) का इस्तेमाल किया जा सकता है। संक्षेप में, नमूना की छवियों को उतार दिया और विभिन्न भरी हुई राज्यों पर कब्जा कर रहे हैं। पहली छवि के बाद गणना के लिए एक जाल के रूप में जो सबसेट (एम × एम पिक्सल) नामक छोटे वर्गों में बांटा गया है2 डी तनाव खेतों। विकृत नमूना में प्रत्येक वर्ग की स्थिति को एक छवि से मेल खाते एल्गोरिथ्म का उपयोग कर प्राप्त की है। प्रत्येक वर्ग की गति तो तब बहुपद फिटिंग या परिमित तत्व प्रक्षेप सहित तरीकों की एक किस्म है, के माध्यम से विरूपण ढ़ाल और दबाव से प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, जो विस्थापन के खेतों से बेदखल, छवि-दर-छवि, पता लगाया है। वर्तमान पांडुलिपि में, हम एक अक्षीय तनन परीक्षण और 2 डी डीआईसी के एकीकरण के माध्यम से मूल निवासी संवहनी ऊतकों पर सतह तनाव क्षेत्रों के आकलन के लिए एक विस्तृत कार्यप्रणाली प्रदान करते हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
पिछले अध्ययनों नमूना तनाव 18,20,21,23,24 आकलन करने के लिए डाई-ट्रैकिंग वीडियो तरीकों की एक विस्तृत रेंज का इस्तेमाल किया है, हमारे वर्तमान उद्देश्य के आकलन के लिए 2 डी डीआईसी के साथ जोड़ी अक्षीय तनन परीक्षण…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
सॉफ्टवेयर और तकनीकी सहायता सहसंबद्ध समाधान शामिल (www.correlatedsolutions.com) के सौजन्य से किया गया।
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 |
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