破壊を使用してデジタル画像相関法を試験中に死体大腿骨皮質系統を推定する方法
Summary
このプロトコルでは大腿骨表面系統はデジタル画像相関法による破壊のテスト中に推定されます。メソッドの目新しさには、大腿骨表面、慎重に指定された照明、高速ビデオ キャプチャ、およびひずみの計算のためのデジタル画像相関解析にコントラストの高い確率スペックル パターンのアプリケーションが含まれます。
Abstract
このプロトコルでは、デジタル画像相関法を用いた機械的テストから得られた死体の大腿骨表面の高速ビデオ画像からの皮質のひずみを推定する方法について説明します。読み込みが標本に適用されるこの光学的手法では固体白い背景に多くの対照的な受託者マークのテクスチャ表面変形の正確な追跡が必要です。直前のテストでは、カメラ ビューで関心のある表面は、水ベースの白のプライマーで塗装し、数分間乾燥します。そして、黒の塗料もサイズと水滴の形の特別な配慮の白い背景の上慎重にまだらです。照明は慎重に設計およびフィルターを使用して反射を最小限に抑えながらこれらのマークの最適なコントラストがあるように設定します。画像は、最大 12,000 フレーム/秒で高速ビデオ キャプチャにより得られました。など破壊イベント前のキー画像が抽出され、関心の特定の領域を慎重に大きさで分類された尋問 windows の連続するフレーム間の変形を推定します。これらの変形は、破壊テスト中に一時的表面ひずみを計算するため使用されます。ひずみデータ、定量的コンピューター断層撮影による有限要素解析 (QCT/FEA) から派生した大腿骨近位部骨折強度モデルの最終的な検証、大腿骨内破壊の発生を識別するために役立ちます。
Introduction
デジタル画像の相関関係 (DIC) は、機械的破壊テスト中に得られた時系列画像から死体大腿骨試験片の完全なフィールドの表面ひずみを推定する現在のプロトコルで使用されているメソッドが後処理イメージです。技術は最初に開発されました 1980 年代に実験応力解析の適用し、近年1,2,3で使用中の急速な増加を経験しています。ひずみ場の空間分布と増加を含む構造にひずみゲージを取り付けのより伝統的なアプローチ上いくつかのキーの利点を有する、細かいゲージの長さによって増加したカメラの解像度、およびひずみゲージの問題を回避密着性やコンプライアンスに接着します。骨などの生体組織の DIC の主な利点は、不規則な形状の構成非常に異種材質4,5に適用できることです。伝統的なひずみ獲得法にその主な欠点は、十分な空間と時空間サンプリングを正確に達成するために関心領域の測定のための十分な解像度の高価な高速ビデオカメラを必要があることひずみ場を推定します。
骨折 DIC 解析から得られた応力フィールドの主な用途は、大腿骨の強度5の QCT/FEA モデルにおけるひずみ推定を検証することです。このような検証は、主に力と変位ロードセルおよび変位トランスデューサー6,7,8からのリモート計測を利用した多くの整形外科研究グループの焦点です。さらに、破壊パターンの骨折後の画像解析は、モデル検証9のさらなる手段としてこれらのリモート測定と結合されています。最近では、DIC メソッドは、破壊の有限要素解析モデルの検証し、大腿骨近位部10のき裂伝播に適用されました。ひずみ相関モデルと実験を活用し、近位大腿骨の計算モデルの妥当性にももっと自信を取得し、QCT/FEA 診断法の臨床に近い使用をさらに進化。
この作品では、DIC における近位大腿骨の破壊テストに必要な手順を組み込むための詳細なプロトコルについて説明します。プロシージャに骨表面に白い塗料を散布し、骨の乾燥白い表面に黒い斑点を斑点の骨の準備の手順が含まれている、高を使用して十分な空間的で、一時的な解像度の画像を得る方法がビデオを高速化カメラとプロセスと我々 はこれらの画像からひずみ場の計算に使用されるツール。また、測定の品質に影響を与える可能性がありますいくつかの注意事項を説明しました。
Protocol
Representative Results
Discussion
一貫して破壊し DIC との完全なフィールドひずみ分布を推定する使用された試験中に高コントラスト イメージング用大腿骨のサンプルを準備するためのプロトコルを導入しました。このプロトコルは、黒骨表面に固体白い背景に斑点を追跡の適切なコントラストのテクスチャを確保しました。このプロトコルに従い、80-9 大腿骨の DIC を用いた系統推定正常にレプリケートされます。
<p clas…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、破壊試験を行うテクニカル サポートのための材料とメイヨー クリニックの構造テストのコアに感謝したいと思います。さらにメイヨー クリニックで任期とビクター Barocas 研究グループは、ミネソタ大学のための間に DIC スクリプトおよび DIC プロトコルの固有の詳細を開発に彼らの支援のラメス Raghupathy とイアン ・ オープン感謝申し上げます、デジタル画像相関ひずみ計算11のコアを実行するオープン ソース ソフトウェアを基になります。この研究は、グレイン ジャー財団からグレイン ジャーの技術革新基金による財政的に支えられました。
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 |
References
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