Utilizzo di Digital Image Correlation per caratterizzare ceppi locali vascolari campioni di tessuto
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
Una storia ricca di ricerca che dura da oltre 50 anni, è stata focalizzata sulla quantificazione delle proprietà meccaniche dei tessuti vascolari. Questi studi ci permettono di capire meglio sia il comportamento fisiologico e patologico dei vasi sanguigni, forniscono una base per valutare l'efficacia / compatibilità dei dispositivi endovascolari, e l'aiuto nella progettazione e fabbricazione di vascolare ingegnerizzato costrutti 1-6. La misurazione accurata della risposta meccanica dei tessuti molli e la modellazione costitutiva delle loro caratteristiche meccaniche è intrinsecamente difficile a causa della meccanica eterogeneità anisotropia, e non linearità esibito dalla maggior parte dei tipi di tessuto. Inoltre, le misure sperimentali sono spesso confusi dalla complessità locale introdotto alle interfacce campione presa nel corso di prove meccaniche (cioè, la piegatura, l'attrito, le concentrazioni di sollecitazione, lacrimazione) e l'inevitabile passaggio di proprietà meccaniche volta tessuto viene asportato dal animale vivente. </ p>
Un esperimento trazione uniassiale è tra i più semplici prove meccaniche che possono essere eseguite su un campione costituito da un materiale solido, ed è spesso usato per valutare la risposta meccanica del tessuto vascolare. I risultati di questi esperimenti forniscono informazioni preliminari utili per entrambe le fonti tissutali native e artificiali, e possono essere utilizzati per confrontare gli effetti di alcuni trattamenti, stati di malattia, o composti farmacologici sul comportamento meccanico della parete vascolare 7-11.
Monoassiale prove meccaniche dei tessuti molli viene in genere eseguito su campioni con geometrie relativamente omogenee, che sono più comunemente cane ossa o forma 7,8,12-14 anello. Tuttavia, allontanamento significativo da queste geometrie idealizzate può verificarsi a causa di sfide connesse con la dissezione dei tessuti, l'isolamento, e di bloccaggio all'interno del sistema di prova. Qualsiasi non uniformità nella geometria in ultima analisi, fonte di stress e tensione eterogeneicampi quando il campione è sottoposto ad estensione uniassiale, con il grado di eterogeneità dipende forma effettiva del campione, nonché le dimensioni del campione (rispetto alle impugnature) e le proprietà meccaniche del materiale 9,15,16. Quando eterogeneità di campo sono significativi, i calcoli di deformazione del campione sulla base delle posizioni di presa relative sono imprecise e quindi una base sufficiente per valutare il comportamento meccanico.
Sistemi di analisi video sono stati ampiamente utilizzati per misure di deformazione dei tessuti molli, spesso utilizzando ad alto contrasto marcatori colorante applicato alla superficie del campione 17,18. Correlazione digitale delle immagini, una tecnica metrologico ottico che misura pieno campo di deformazione superficiale confrontando i valori di intensità di livello di grigio sulla superficie del campione prima e dopo la deformazione, è stato usato in combinazione con il video analisi dei tessuti molli 19-21. Ci sono diversi vantaggi di correlazione dell'immagine digitale rispetto a interferometrMetodi ic che possono essere impiegati per le misurazioni. In primo luogo, come una tecnica di misurazione senza contatto, minimizza gli effetti confondenti di modificare le proprietà del materiale a causa del modo in cui il sistema di misurazione colpisce il campione. In secondo luogo, esso richiede un ambiente molto meno rigorose misura e che presenti una più ampia gamma di sensibilità e risoluzione rispetto ad altri metodi. Terzo, dotata della capacità di catturare un intero campo visivo, questa tecnica può caratterizzare sia la media e le risposte meccaniche locali. Per una spiegazione dettagliata del metodo, i lettori sono invitati a vedere il libro di Sutton 22.
Per ottenere campi di deformazione sulla superficie del campione, una tecnica bidimensionale immagine correlazione digitale (2D-DIC) può essere utilizzato. In breve, le immagini del campione vengono acquisiti a stati caricati scaricati e vari. La prima immagine è suddivisa in piccoli quadrati chiamati sottoinsiemi (M × M pixel) che formano una rete per il successivo calcolo delCampi di deformazione 2D. La posizione di ogni quadrato nel campione deformato viene ottenuta utilizzando un algoritmo immagine corrispondente. Il movimento di ogni quadrato viene poi monitorato, immagine per immagine, ottenendo campi di spostamento che possono poi essere utilizzati per ricavare gradienti di deformazione e le tensioni attraverso una varietà di metodi, tra cui l'interpolazione polinomiale elemento di raccordo o finiti. Nel presente manoscritto, mettiamo a disposizione una metodologia dettagliata per la valutazione dei campi di deformazione della superficie, sui tessuti vascolari autoctone attraverso l'integrazione delle prove di trazione monoassiale e 2D-DIC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sebbene studi precedenti hanno utilizzato una vasta gamma di metodi di video-dye di monitoraggio per valutare tensione campione 18,20,21,23,24, il nostro obiettivo attuale è quello di fornire una metodologia completa per due prove di trazione uniassiale con 2D-DIC per la valutazione di tensioni superficiali su campioni di tessuto vascolare. Con una fotocamera ad alta risoluzione e software di analisi dell'immagine in-house, il campo di deformazione può essere misurata in una regione superficiale predete…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Il software e il supporto tecnico sono per gentile concessione di correlata 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 |
References
- 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. , (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. . Springer handbook of experimental solid mechanics. , 565-600 (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).
