Name: using digital image correlation to characterize local strains on vascular tissue specimens
Uploaded: 2016-01-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 29 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using Digital Image Correlation to Characterize Local Strains on Vascular Tissue Specimens at JoVE.com

התוכנה והתמיכה טכנית היו באדיבות הפתרונות Incorporated קורלציה (www.correlatedsolutions.com).

הערה: ההליכים המתוארים להלן בוצעו כחלק מפרוטוקול שאושר על ידי ועדת הטיפול ושימוש בבעלי חיים המוסדיים באוניברסיטת הדרום קרוליינה בקולומביה, דרום קרוליינה. 1. רקמות רכישה וDissection <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לעקר את כל הכלים כירורגיים לפני נתיחת רקמה. מספריים החיטוי כירורגית ומלקחיים סטנדרטיים קנס וכן להבי כירורגים תחת לחץ של 15 psi וטמפרטורה של 121 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לרכוש סט אחד של חזירי טרי (זכרים landrace בן 7 חודשים, 60-70 קילוגרם) כליות עם אב העורקים ללא פגע מבית מטבחיים מקומי. רקמת תחבורה בחזרה למעבדה בפתרון פוספט 1% קרים שנאגרו מלוח (PBS). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מייד עם הגעתו, לבודד את אב העורקים בבטן מרקמות באמצעות מספריים ומלקחיים כירורגיים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשטוף את הכלי שלוש פעמים באמצעות מזרק 50 מיליליטר מלא PBS (pH 7.2). בעזרת המספריים והמלקחיים, להסיר כמה שיותר רקמת perivascular כpossידיהם מבלי להתפשר על שלמות המדגם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אנכי למקם סכין גילוח חד על החלק האמצעי של כלי השיט ולוודא שהוא ניצב לציר אורך הכלי. צור שתי דגימות טבעת כל אחד עם רוחב של כ 20 מ&quot;מ על ידי יישום שלושה חתכים היקפיים רציפים עם סכין הגילוח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אנכי למקם סכין גילוח חד על מדגם טבעת אחד כזה שהלהב מכוון בכיוון רדיאלי. החל כוח חריף להניב חתך רדיאלי, וכתוצאה מכך לדוגמה בצורת רצועה לבדיקות מכאניות uniaxial. מניחים את המדגם בצלחת פטרי מ&quot;מ זכוכית 100 ולצלול בPBS עד היישום של ככתמי פני השטח. חזור למדגם הטבעת השני. </li></ol> 2. יצירת תבנית רבב Surface <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את מברשת האוויר לשסתום הלחץ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את קוטר הנחיר של airbrush להניב כתמים של 60-100 מיקרומטר (טווח מתאים לקוטר נחיר צריךייקבע ממחקרים ראשוניים). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים כ 2 מיליליטר של צבע סימון רקמה שחורה במזין הכובד של airbrush. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מברשת האוויר כ -0.5 מ &#39;מהמדגם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את המדגם מצלחת פטרי. ריסוס צבע רקמת סימון על פני השטח intimal של המדגם לכ -5 שניות תחת לחץ ריסוס של 100 psi. חזור שלוש פעמים כדי לוודא שדפוס רבב אחיד מכסה את פני השטח המדגם. </li></ol> 3. ביצוע ניסויים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף כל קצה של המדגם לרצועת פלסטיק (עובי אורך x 0.5 סנטימטרים רוחב x 1 סנטימטר 1 סנטימטר) באמצעות דבק רקמות. מניחים את המדגם על קרש חיתוך רקמות. מקם את המדגם כך שהוא שוכב ולמדוד את ממדיו באמצעות קליפר דיגיטלי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ליזום פקדי מערכת לבדיקות מכאניות. במערכת שולטת במסך הבית, בחר &quot;צורת גל&quot; בשורת המשימות ממוקמות בכרטיסיית &quot;ההגדרות&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מוֹדָעָהרק את עמדתו של האחיזה העליונה של הבוחן המכני ל-4 מ&quot;מ (הרחבה 4 מ&quot;מ ביחס למצב הראשוני המיועד במערכת). בעדינות לאבטח רצועת פלסטיק אחד (שצורף לדגימה ב3.1) לאחיזה העליונה של הבוחן המכני ולאפשר המדגם לתלות באופן חופשי. השתמש בקליפר הדיגיטלי כדי להבטיח שהמרחק בין המדגם והאחיזה העליונה הוא פחות מ -2 מ&quot;מ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> באופן ידני להתאים את המיקום של האחיזה נמוכה יותר, כך שהקצה החופשי של המדגם יכול להיות מאובטח ללא הארכה. בעדינות לאבטח את רצועת הפלסטיק מחוברת לקצה החופשי של המדגם לאחיזה התחתונה של הבוחן המכני. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בקליפר הדיגיטלי כדי להבטיח שהמרחק בין המדגם והאחיזה הנמוכה הוא פחות מ -2 מ&quot;מ. אפס תא עומס המערכת. מדוד את האורך של המדגם ולהשתמש בזה כאורך התייחסות לחישוב זנים היקפיים הגלובליים. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הזן את פרוטוקול הבדיקה המכני. הפרוטוקול המשמש בtההפגנה שלו כרוכה 4 מחזורי עקירת uniaxial אשר האריכו המדגם של 18% בקצב תזוזה של 0.01 מ&quot;מ / שנייה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לסירוגין לרסס PBS על המדגם בכל פרוטוקול הבדיקה שנותר כדי להבטיח שהוא נשאר התייבשות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר המצלמה (מצלמה 5 מגה פיקסל, עדשת 100 מ&quot;מ, גודל פיקסל של 3.49 מיקרומטר) על גבי חצובה אשר ממוקמת 1.5 מ &#39;מהמסגרת הטעינה. להבטיח את המצלמה ומשטח מדגם הם ניצבים על ידי הגדרת המצלמה לשדה זמין הנמוך ביותר של עומק ומניפולציה יישורה כך שכל שדה הראייה הוא בפוקוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פתח את תוכנת לכידת תמונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר &quot;PGR-2&quot; ב&quot; המערכת בחר &quot;האפשרות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את נתיב פרויקט כדי להציל את התמונות כדי להיות מנותח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על סמל &quot;כיכר הזמן&quot; ולציין את מרווח הרכישה כ5 שניות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את החשיפה, צמצם מספרי, ומוקד של העדשה כדי לקבל תצוגה ברורה של המדגם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להתאים את המיקום של נורית לספק תאורה נאותה על המדגם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על הסמל &quot;התחל&quot; בתוכנה ללכידה תמונה כדי להשיג תמונה של פני השטח הדגימה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פתח את תוכנת ניתוח תמונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לייבא את התמונה המתקבלת. קרב על רבב בודד, ולאחר מכן לספור מספר הפיקסלים בתוך רבב אדם זה. הערה: זהה רבב שחור נציג. הגדר את גודל רבב כמרחק ליניארי בין פיקסלים בשני הצדדים של רבב שיש ערכים גבוהים דומים. לגודל רבב מקובל, מספר הפיקסלים לרוחב רבב טיפוסי צריך להיות גדול מ 3 פיקסלים. כדי לשפר את הרזולוציה מרחבית במדידות, צריכים רוב כתמים לא יותר מ 5-7 פיקסלים לרוחב רבב, בכל הזדמנות אפשרית. לפיכך, רבב טיפוסי למקרה זה היה נע בין 10 מיקרומטר בקטנים ביותר ו -23 מיקרומטר בגודלה בממד ליניארי. כדי לקבוע משנה מתאיםגודל, משנה טיפוסי צריך לפחות לבנים 3 ו -3 כתמים שחורים על פני רוחבה. אם רבב טיפוסי הוא 5 פיקסלים בממד ליניארי, ואז כל קבוצת משנה 31x31 תהיה לפחות 105 מיקרומטר בממד ליניארי. המרווח בין מרכזי משנה צריך להיות לפחות 1/6 מהממד ליניארי. לפיכך, לגודל קבוצת משנה 31x31, המרחק הוא 5 פיקסלים המייצג 18 מיקרומטר במרחק יניארי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר אימות איכות דפוס רבב, בו זמנית לחץ על הסמל &quot;הפעל&quot; במערכת וסמל &quot;התחל&quot; בתוכנה ללכידה תמונה כדי להתחיל בבדיקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ללכוד סדרה של תמונות בכל בדיקות באמצעות תוכנת המצלמה ולכידת תמונה. </li></ol> 4. נהלים נקיים-עד לאחר הניסוי <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את המדגם שהושלך בשקית Biohazard ולסגור את התיק. התקשר המחלקה לבריאות הסביבה והבטיחות (EHS) באוניברסיטת הדרום קרוליינה לסילוק נאות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן זרחןפתרון חיטוי חינם עם יחס 1:64 דילול של חומר חיטוי חומר ניקוי למים מזוקקים. משרים את הכלים כירורגיים בפתרון זה עבור 20 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשטוף ביסודיות את הפריטים מתוארים ב4.2 עם מים מזוקקים. ייבש את הכלים בעזרת מגבת נייר ולאחר מכן לרסס אותם עם פתרון אתנול 70%. שוב לייבש את הכלים כירורגיים באמצעות מגבת נייר ולשים אותם בחזרה בארגז הכלים כירורגיים. </li></ol> 5. ניתוח תמונה למדוד שדה הזנים המקומי <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פתח את תוכנת ניתוח תמונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על כרטיסיית &quot;תמונות רבב&quot;, לבחור את כל התמונות שצריכות להיות מנותחים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על כלי מלבן ובחר את האזור של עניין בתמונה הראשונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הזן את גודל קבוצת משנה 41 × 41 פיקסלים וגודל צעד 5 פיקסלים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על התחל כרטיסיית ניתוח בתוכנה, בחר באינטרפולציה כ8-מלכודת מותאמת; בחר את הקריטריון כהבדלי אפס מנורמל בריבוע ומשקולות משנה אופציה כגאוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl">הגדר את אפשרויות סף כברירת מחדל בתוכנה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על כרטיסיית משנה שלאחר עיבוד בכרטיסיית ניתוח התחלה. לחץ חישוב מתח אפשרות לעזוב וגודל מסנן וסוג של מסנן כברירת מחדל בתוכנה. מותח בחר את סוג גראנז &#39;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר בכרטיסיית נתונים ולאחר מכן בחר כל תמונה ניתחה להדמיה של שדה מתח פני השטח. </li></ol>

<ol>
	<li>Holzapfel, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomechanics+of+soft+tissue.">Biomechanics of soft tissue.</a> The handbook of materials behavior models. 3, 1049-1063 (2001).</li><li>Vito, R. P., Dixon, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blood+vessel+constitutive+models-1995-2002.">Blood vessel constitutive models-1995-2002.</a> Annu Rev Biomed Eng. 5, 413-439 (2003).</li><li>Dodson, R. B., Martin, J. T., Hunter, K. S., Ferguson, V. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+hyperelastic+properties+for+umbilical+artery+in+preeclampsia+from+uniaxial+extension+tests.">Determination of hyperelastic properties for umbilical artery in preeclampsia from uniaxial extension tests.</a> Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol. 169, 207-212 (2013).</li><li>Chuong, C. J., Fung, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+residual+stresses+in+arteries.">On residual stresses in arteries.</a> J Biomech Eng. 108, 189-192 (1986).</li><li>Borschel, G. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tissue+engineering+of+recellularized+small-diameter+vascular+grafts.">Tissue engineering of recellularized small-diameter vascular grafts.</a> Tissue Eng. 11, 778-786 (2005).</li><li>Wagenseil, J. E., Mecham, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vascular+extracellular+matrix+and+arterial+mechanics.">Vascular extracellular matrix and arterial mechanics.</a> Physiol Rev. 89, 957-989 (2009).</li><li>Holzapfel, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+material+models+for+arterial+walls+from+uniaxial+extension+tests+and+histological+structure.">Determination of material models for arterial walls from uniaxial extension tests and histological structure.</a> J Theor Biol. 238, 290-302 (2006).</li><li>Tanaka, T. T., Fung, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Elastic+and+inelastic+properties+of+the+canine+aorta+and+their+variation+along+the+aortic+tree.">Elastic and inelastic properties of the canine aorta and their variation along the aortic tree.</a> J Biomech. 7, 357-370 (1974).</li><li>Sokolis, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Passive+mechanical+properties+and+structure+of+the+aorta:+segmental+analysis.">Passive mechanical properties and structure of the aorta: segmental analysis.</a> Acta physiologica. 190, 277-289 (2007).</li><li>Twal, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cellularized+Microcarriers+as+Adhesive+Building+Blocks+for+Fabrication+of+Tubular+Tissue+Constructs.">Cellularized Microcarriers as Adhesive Building Blocks for Fabrication of Tubular Tissue Constructs.</a> Ann Biomed Eng. , 1-12 (2013).</li><li>Shazly, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+Uniaxial+Ring+Test+of+Tissue+Engineered+Constructs.">On the Uniaxial Ring Test of Tissue Engineered Constructs.</a> Exp Mech. , 1-11 (2014).</li><li>Kim, J., Baek, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Circumferential+variations+of+mechanical+behavior+of+the+porcine+thoracic+aorta+during+the+inflation+test.">Circumferential variations of mechanical behavior of the porcine thoracic aorta during the inflation test.</a> J Biomech. 44, 1941-1947 (2011).</li><li>Li, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+material+parameters+of+the+two-dimensional+Holzapfel-Weizsacker+type+model+based+on+uniaxial+extension+data+of+arterial+walls.">Determination of material parameters of the two-dimensional Holzapfel-Weizsacker type model based on uniaxial extension data of arterial walls.</a> Comput Methods Biomech Biomed Engin. 16, 358-367 (2013).</li><li>Li, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+the+material+parameters+of+four-fibre+family+model+based+on+uniaxial+extension+data+of+arterial+walls.">Determination of the material parameters of four-fibre family model based on uniaxial extension data of arterial walls.</a> Comput Methods Biomech Biomed Engin. 17, 695-703 (2014).</li><li>Hoeltzel, D. A., Altman, P., Buzard, K., Choe, K. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strip+extensiometry+for+comparison+of+the+mechanical+response+of+bovine,+rabbit,+and+human+corneas.">Strip extensiometry for comparison of the mechanical response of bovine, rabbit, and human corneas.</a> J Biomech Eng. 114, 202-215 (1992).</li><li>Guo, X., Kassab, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Variation+of+mechanical+properties+along+the+length+of+the+aorta+in+C57bl/6+mice.">Variation of mechanical properties along the length of the aorta in C57bl/6 mice.</a> Am J Physiol Heart Circ Physiol. 285, H2614-H2622 (2003).</li><li>Smutz, W., Drexler, M., Berglund, L., Growney, E., An, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accuracy+of+a+video+strain+measurement+system.">Accuracy of a video strain measurement system.</a> J Biomech. 29, 813-817 (1996).</li><li>Genovese, K., Lee, Y. U., Lee, A. Y., Humphrey, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+improved+panoramic+digital+image+correlation+method+for+vascular+strain+analysis+and+material+characterization.">An improved panoramic digital image correlation method for vascular strain analysis and material characterization.</a> J Mech Behav Biomed Mater. 27, 132-142 (2013).</li><li>Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+automated+approach+for+direct+measurement+of+two-dimensional+strain+distributions+within+articular+cartilage+under+unconfined+compression.">An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression.</a> J Biomech Eng. 124, 557-567 (2002).</li><li>Ning, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deformation+measurements+and+material+property+estimation+of+mouse+carotid+artery+using+a+microstructure-based+constitutive+model.">Deformation measurements and material property estimation of mouse carotid artery using a microstructure-based constitutive model.</a> J Biomech Eng. 132, 121010 (2010).</li><li>Sutton, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strain+field+measurements+on+mouse+carotid+arteries+using+microscopic+three-dimensional+digital+image+correlation.">Strain field measurements on mouse carotid arteries using microscopic three-dimensional digital image correlation.</a> J Biomed Mater Res A. 84, 178-190 (2008).</li><li>Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications. , (2009).</li><li>Verhulp, E., van Rietbergen, B., Huiskes, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+three-dimensional+digital+image+correlation+technique+for+strain+measurements+in+microstructures.">A three-dimensional digital image correlation technique for strain measurements in microstructures.</a> J Biomech. 37, 1313-1320 (2004).</li><li>Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+automated+approach+for+direct+measurement+of+two-dimensional+strain+distributions+within+articular+cartilage+under+unconfined+compression.">An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 124, 557-567 (2002).</li><li>Franck, C., Hong, S., Maskarinec, S., Tirrell, D., Ravichandran, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+full-field+measurements+of+large+deformations+in+soft+materials+using+confocal+microscopy+and+digital+volume+correlation.">Three-dimensional full-field measurements of large deformations in soft materials using confocal microscopy and digital volume correlation.</a> Exp Mech. 47, 427-438 (2007).</li><li>Garcia, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Med Eng Phys. 33, 665-676 (2011).</li><li>Miller, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+to+test+very+soft+biological+tissues+in+extension?.">How to test very soft biological tissues in extension?.</a> J Biomech. 34, 651-657 (2001).</li><li>Sutton, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Springer handbook of experimental solid mechanics. , 565-600 (2008).</li><li>Han, H. C., Fung, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Longitudinal+strain+of+canine+and+porcine+aortas.">Longitudinal strain of canine and porcine aortas.</a> J Biomech. 28, 637-641 (1995).</li><li>Sokolis, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+passive+strain-energy+function+for+elastic+and+muscular+arteries:+correlation+of+material+parameters+with+histological+data.">A passive strain-energy function for elastic and muscular arteries: correlation of material parameters with histological data.</a> Med Biol Eng Comput. 48, 507-518 (2010).</li><li>Zhou, B., Wolf, L., Rachev, A., Shazly, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+structure-motivated+model+of+the+passive+mechanical+response+of+the+primary+porcine+renal+artery.">A structure-motivated model of the passive mechanical response of the primary porcine renal artery.</a> J Mech Med Biol. , (2013).</li><li>Zhou, B., Rachev, A., Shazly, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+biaxial+active+mechanical+properties+of+the+porcine+primary+renal+artery.">The biaxial active mechanical properties of the porcine primary renal artery.</a> J Mech Behav Biomed Mater. 48, 28-37 (2015).</li><li>Sommer, G., Holzapfel, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+constitutive+modeling+of+the+biaxial+mechanical+response+of+intact+and+layer-dissected+human+carotid+arteries.">3D constitutive modeling of the biaxial mechanical response of intact and layer-dissected human carotid arteries.</a> J Mech Behav Biomed Mater. 5, 116-128 (2012).</li></ol>

יש המחברים אין ניגודי עניינים פוטנציאליים.

למרות שהמחקרים קודמים השתמשו במגוון רחב של שיטות מעקב וידאו-צבע להעריך מתח מדגם 18,20,21,23,24, המטרה הנוכחית שלנו היא לספק מתודולוגיה מקיפה לזוג בדיקות מתיחים uniaxial עם 2D-דסק&quot;ש להערכה זני משטח בדגימות רקמת כלי דם. עם מצלמה ברזולוציה גבוהה ותוכנת ניתוח תמונה בבית, שדה המתח ניתן למדוד בתוך אזור משטח שנקבע מראש כמדגם עובר טעינת uniaxial. רלוונטי במיוחד לבדיקות מכאניות של רקמת כלי דם, הטכניקה שהוצגה ניתן להתאים באופן ישיר כדי להעריך זני משטח בבדיקות דו-ציריות מישוריים אשר בתורו יאפשר זיהוי של תכונות חומר מכוננות. על מנת להקל על ניתוח מתאם תמונה דיגיטלי, דפוס רבב מוחל על פני השטח המדגם. הצבע מנוצל כלכתמים הוא צבע סימון רקמות אשר בקלות שומר על רוב משטחי רקמה רכים. כדי להשיגאיכות טובה של ניגוד וצפיפות תקינה של דפוס רבב, גודל רבב אופטימלי של 60-100 מיקרומטר ומרחק ריסוס של 0.5 מ &#39;הם הבינו על ידי התאמת קוטר הנחיר של airbrush והמרחק בין המדגם ומברשת האוויר. גודל רבב משמש הוא קשור ישירות לרזולוציה של מדידות תוצאת 23,25. כל רבב יש נדגמו על ידי לפחות 3-5 פיקסלים להשיג מתאם תמונה מקובל. בהתחשב שדה 22 מ&quot;מ × 18 מ&quot;מ מבט וגודל רבב המנוצל, ברזולוציה של הניסוי שהוצג היא 9 מיקרומטר / פיקסל. קצב טעינה של 0.01 מ&quot;מ / שנייה משמש לבדיקות מכאניות כדי להשיג סדרה של מדינות שיווי משקל מעוות מעין-סטטי לרקמת כלי דם 26,27. מאז המצלמה ותא עומס באיכות גבוהה מאוד, שניהם רגישות לתנודות, לא אמור להיות תנועה מינימאלית במהלך הניסוי; גם אם קטן, תנועת מצלמה / דגימת גוף נוקשה יכולה להתרחש וwמדידות 2D מבוסס-דסק&quot;ש לבלבל חולה. באופן דומה, עיוות מדגם יכולה להתרחש עקב התייבשות רקמות, ולכן חשוב שPBS מיושם באמצעות בדיקה כדי לקדם את הדיוק של 2D-דסק&quot;ש. ל2D-דסק&quot;ש, מפרטים נדרשים כוללים את גודל קבוצת משנה ואת גודל הצעד בשימוש באלגוריתם התאמת תמונה 22. על מנת לקבל תוצאות מדויקות עם הטיה זניחה, לפחות 3 שחורים וכתמים לבנים 3 צריכים להיות נוכחים בכל תת-קבוצה, עם כל רבב שנדגמו על ידי לפחות 3-5 פיקסלים. כל נקודת נתונים בתפוקה מספקת מידע בממוצע לכל תיבה שמתאימה לגודל קבוצת המשנה (41x41 פיקסלים), נחשב כרזולוציה מרחבית של הניסוי. המרחק בין שתי נקודות נתונים במונחים של גודל צעד הוא 5 פיקסלים בניסוי זה. על מנת למקסם את הדיוק במדידות מתח עקירת רבב / משטח, שיטת אינטרפולציה שגם 8-רז מיושמת כדי להשיג ערכי עוצמה מדויקים, תת-פיקסל. ספיד 8-הרזיש OD דיוק גבוה במעט בהשגת זנים בהשוואה לתוצאות שהתקבלו או באמצעות 4-ברז או מסנן אינטרפולציה 6-רז. קריטריון המתאם &quot;הבדלים בריבוע מנורמלים&quot; נבחר להתאמה שכן הוא אינו מושפע משינוי בקנה מידה בתאורה (למשל, כאשר קבוצת משנה מעוותת הוא 30% בהיר יותר מהתייחסות). בחירה זו היא בחירת ברירת המחדל בתוכנה, ובדרך כלל מציעה את השילוב הטוב ביותר של גמישות ותוצאות 28. שקלול משנה, השולט איך פיקסלים בתוך תת-הקבוצה משוקללות בתהליך ההתאמה, נבחר כגאוס. עם משקולות אחידות, כל פיקסל בתת-הקבוצה נחשב באותה מידה; משקולות גאוס לספק את השילוב הטוב ביותר של רזולוציה מרחבית ורזולוציה עקירה. מקדמים שונים של שדה מתח פני השטח חושבו עם תוכנת ניתוח תמונה בבית ומשמשים לכמת את מידת ההטרוגניות מתח. המקדםficient של וריאציה של שדה המתח בשני הכיוונים ההיקפיים ואורך ירידה בלחץ גובר והולכים בעולם היקפי, שנצפה בעבר בבדיקות מכאניות מקבילות על סוגי רקמות וכלי דם אחרים (תוצאות לא פורסמו). בהתבסס על מגמה מתמשכת זו, סביר לצפות ששדות מתח פני השטח יכולים מספיק homogenize מעל מידה מסוימת קריטית של הרחבה שמדידות הגלובליות ומקומיות להתכנס. עם זאת סביר להניח כי ערך קריטי זה הוא דקיק ובמדגם ספציפי, ובכך תומך בשימוש במדידות מתח מקומיות לזיהוי מדויק של תכונות חומר מכוננות. כמה מגבלות חייבת להיחשב לפרשנות ראויה של המתודולוגיה שלנו הציגה ותוצאות. אנו נקבעו טווח מתון של מתח היקפי הגלובלי, כך הגדלים שלנו הבינו מקומי המתח בשני הכיוונים ההיקפיים ואורכים היו נמוכים באופן משמעותי<html> מערכים ראו in vivo. יתר על כן, אנו הערכנו את התגובה המכנית uniaxial תחת אוריינטצית מדגם יחידה, ולכן להפיק נתונים מספיקים כדי לזהות תכונות חומר מכוננות לרקמת כלי דם 29,30. עם זאת, המטרה שלנו היא לא לבצע ניתוח מכאני מקיף של אב העורקים חזירי, אלא כדי להדגים פרוטוקול ניסוי לזוג 2D-דסק&quot;ש לבדיקות מכאניות uniaxial ברקמות רכות. הטכניקה שהוצגה במסמך זה יכול להתארך בקלות לבדיקת biaxial מכאנית ובכך הכימות של התכונות מכאניות של רקמות כלי דם המכוננות 31-33. שיטת 2D-דסק&quot;ש לוכדת רק שדה מתח מישוריים המקביל למשטח המדגם. כאשר הדגימה מעווה ממטוס, או כאשר הדגימה היא גיאומטריה לא מישוריים (למשל, כלי דם), הדמיה לראיית סטריאו וטכניקת 3D-דסק&quot;ש יכולים להיות מיושמים למדידת מתח מקיף 23,25. NT &quot;&gt; לסיכום, כתב היד הנוכחית מספק מידע מפורט על המתודולוגיה לשלב בדיקות מתיחים uniaxial ומתאם תמונה דיגיטלי לאפיין את התגובה המכנית של רקמת כלי דם מקומית. השיטה שהוצגה במחקר זה ניתן להתאים בקלות לאפיון מכאני של ילידים אחרים ומהונדס רקמות רכות כמו גם הידרוג&#39;ל הרך / חומרים פולימריים, ושימושי במיוחד כאשר שדה מדגם מתח פני השטח מציג הטרוגניות משמעותית במהלך בדיקה מכאנית.

היסטוריה עשירה של מחקר המשתרעת על 50 שנים כבר התמקדה בכימות התכונות מכאניות של רקמות וכלי דם. מחקרים אלה מאפשרים לנו להבין טובים יותר הן ההתנהגות הפיזיולוגית ופתולוגיים של כלי דם, מספק בסיס להערכת היעילות / התאימות של התקני endovascular, וסיוע בתכנון וייצור של כלי דם מהונדסים בונה 1-6. מדידה מדויקת של התגובה המכנית של רקמות רכות ודוגמנות מכוננת של התכונות מכאניות שלהם היא מיסוד מאתגר בשל ההטרוגניות, אנאיזוטרופיה, והליניאריות המכנית הוצגה על ידי רוב סוגי רקמות. יתר על כן, מדידות ניסיוניות לעתים קרובות מבולבלות על ידי מורכבות מקומיות הציגו בממשקים מדגם אחיזה במהלך בדיקות מכאניות (כלומר, כיפוף, חיכוך, ריכוזי מתח, קורעים) והמעבר הבלתי נמנע של תכונות מכאניות של רקמות פעם הוא נכרת מהחי. &lt;/ P&gt; ניסוי מתיחה uniaxial הוא בין הבדיקות מכאניות הפשוטות שניתן לבצע על דגימה עשויה מחומר מוצק, ומשמש לעתים קרובות כדי להעריך את התגובה המכנית של רקמת כלי דם. תוצאות מניסויים אלה מספקים מידע ראשוני שימושי עבור שני מקורות רקמות מהונדסים והילידים, וניתן להשתמש בו כדי להשוות את ההשפעות של טיפולים מסוימים, מצבי מחלה, או תרכובות תרופתיות על ההתנהגות המכנית של כלי דם הקיר 7-11. בדיקות מכאניות uniaxial של רקמות רכות מבוצעות בדרך כלל על דגימות בגיאומטריות אחידות יחסית, שהם נפוצים ביותר כלב-עצם או טבעת בצורה 7,8,12-14. עם זאת, יציאה משמעותית מגיאומטריות אידיאליזציה אלה יכול להתרחש עקב אתגרים הקשורים לנתיחה רקמה, בידוד, והידוק בתוך מערכת הבדיקה. כל שאינם אחיד בגיאומטריה סופו של דבר לגרום ללחץ ומתח הטרוגניתשדות כאשר המדגם הוא נתון להארכת uniaxial, עם מידת ההטרוגניות תלויה בצורת מדגם בפועל, כמו גם גודל מדגם (יחסית לעובי הקורה) ואת התכונות מכאניות של החומר 9,15,16. כאשר heterogeneities השדה הוא משמעותיים, חישובי מתח מדגם מבוססים על עמדות אחיזה היחסית הם לא מדויקים ובכך בסיס מספיק להערכת התנהגות מכאנית. מערכות ניתוח וידאו היו בשימוש נרחב למדידות מתח של רקמות רכות, לעתים קרובות תוך שימוש בסמני צבע ניגודיות גבוהה מוחלים על פני השטח דגימת 17,18. מתאם תמונה דיגיטלי, טכניקה המטרולוגי אופטית המודדת מתח פני השטח שדה מלא על ידי השוואת ערכי עצמת רמה אפורות על פני השטח של הדגימה לפני ואחרי העיוות, בו נעשה שימוש בשילוב עם וידאו ניתוחים של רקמות רכות 19-21. ישנם מספר יתרונות של מתאם תמונה דיגיטלי לעומת interferometrשיטות IC שיכול להיות מועסק למדידות. ראשית, כטכניקת מדידה שאינה פנייה, היא ממזערת את תופעות בלבול של שינוי תכונות חומר בשל האופן שבו מערכת המדידה משפיעה על הדגימה. שנית, היא דורשת סביבת מדידה הרבה פחות מחמירה ויש לו מגוון רחב יותר של רגישות ורזולוציה יותר מאשר בשיטות אחרות. שלישית, ניחן ביכולת של לכידת שדה מלא של נוף, טכניקה זו יכולה לאפיין שני ממוצעת ותגובות מכאניות המקומיות. להסבר מפורט על השיטה, קוראים מוזמנים לראות את הספר על ידי 22 סאטון. כדי להשיג שדות מתח על פני השטח הדגימה, טכניקת מתאם תמונה דיגיטלית דו-ממדית (2D-DIC) יכולה לשמש. בקיצור, תמונות של הדגימה נלכדות במדינות טעונות טעונים ושונות. התמונה הראשונה מחולקת לריבועים קטנים בשם תת (פיקסלים M × M) אשר יוצרים רשת לחישוב הבא שלשדות מתח 2D. עמדתו של כל ריבוע בדגימה מעוותת מתקבלת באמצעות אלגוריתם התאמת תמונה. התנועה של כל ריבוע אז מעקב, תמונה-אחרת-תמונה, מניב שדות עקירה אשר לאחר מכן ניתן להשתמש כדי להפיק הדרגתיים עיוות וזנים באמצעות מגוון רחב של שיטות, כולל אינטרפולציה אלמנט ההולמת או סופית פולינום. בכתב היד הנוכחית, אנו מספקים מתודולוגיה מפורטת להערכה של שדות מתח פני השטח על רקמות כלי דם מקומיות באמצעות שילוב של בדיקות מתיחה uniaxial ו2D-דסק&quot;ש.

<table><tbody><tr><td>Uniaxial tensile mechanical tester</td><td>Enduratec</td><td>3230 AT/HR</td><td></td></tr><tr><td>Blue tissue marking dye</td><td>http://www.ebay.com/itm/Tissue-Marking-Dye-in-Bottles-2oz-Bottle-1-ea-/201193551510?pt=LH_DefaultDomain_0&amp;amp;hash=item2ed811f696</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sprayer</td><td>Anest-iwata</td><td>CM-B</td><td>Custom Micron B</td></tr><tr><td>Camera</td><td>Point Grey</td><td>GS2-GE-50S5M-C</td><td></td></tr><tr><td>Lens</td><td>Tokina</td><td>AT-X M100</td><td></td></tr><tr><td>Vascular tissue</td><td>Caughman Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>0.9% Sodium Chloride Injection PBS</td><td>BAXTER HEALTHCARE CORP.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vic_snap</td><td>Correlated Solutions</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vic_2D</td><td>Correlated Solutions</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wintest 4.1</td><td>Bose ElectroForce</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tissue adhesive</td><td>&amp;nbsp;3M Vetbond&amp;nbsp;</td><td>1469SB</td><td></td></tr><tr><td>Disinfectant&amp;nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>04-355-13</td><td>Decon BDD Bacdown Detergent Disinfectant</td></tr></tbody></table>

using digital image correlation to characterize local strains on vascular tissue specimens

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.

נתונים מכאניים שנרכשו מבדיקת ארכה uniaxial ramped ברקמת כלי דם מורכב מעומס לעומת יחסי עקירת מדגם מוטלים בשיעור עקירה נתון. במחקר זה, 2D-דסק&quot;ש בשיתוף עם בדיקות מכאניות uniaxial משמש למדידת שדות מתח פני השטח של הדגימה בכיוונים מאונך במדינות שונות מעוותות. טבע viscoelastic של רקמת כלי דם מתבטא במידה ראויה לציון של hysteresis בעקומות עומס עקירה לפני נפשית מראש מכאניים. כדי לקדם את שחזור של בדיקות מכאניות ולקבל תגובה מכאנית אלסטי, רקמת preconditioned באמצעות מספר מחזורי טעינה ופריק, בי hysteresis מצטמצם (איור 1) בהדרגה. למרות הכנת המדגם מאוד זהירה והרכבה, מדידות 2D-דסק&quot;ש להוכיח כי שדה מתח פני השטח intimal תוצאה הוא הטרוגנית מאוד בשני<html> כיוונים היקפיים ואורכים. כצפוי, ערכי לחץ היקפיים מקומיים להגדיל עם עקירת מדגם שימושית. ההטרוגניות בדפוס המתח ההיקפי בדרך כלל מניבה ערכים שהם נמוכים בסמוך למרכז של המדגם בהשוואה לקרבת ממשק מדגם-אחיזה, המשקפים את ההשפעות של האחיזה על הזנים המקומיים (איור 2). בכיוון האורך, זני דחיסה לא אחידים על פני השטח כתוצאה intimal המדגם גדלו כמדגם מורחב בהדרגה, ושדה המתח כתוצאה מפגין מידה בולטת יותר של ההטרוגניות בהשוואה לכיוון ההיקפי (איור 3). המקדמים שונים (CV) של שדות מתח פני השטח בכיוונים מאונך חושבו על מנת לשקף את מידת ההטרוגניות שדה במדינות ניסיוניות בחרו, ונמצאו ירידה מונוטונית עם סיומת מוגברת מדגם (טבלת 1). jove_content &quot;FO: לשמור-together.within עמודים =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/53625/53625fig1.jpg" /> איור 1. נפשית מראש ניסויי של דגימת רקמת כלי דם לבדיקת המתיחה uniaxial. מדגם בצורת מלבני הוא preconditioned עם שלושה מחזורי טעינה ופריקים, כדי להשיג תגובת אלסטי לשחזור. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53625/53625fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/53625/53625fig2.jpg" /> איור 2. שדה מתח היקפי בשטח המדגם של עניין. דוגמא מייצגת של פני השטח intimal המדגם מנומרים ואזור המזוהה של עניין (). YY המקומי ההיקפי ε המתח (%) (ב) באזור המזוהה של ריבית בהגדלה<html> רמות של מתח היקפי הגלובלי יושם (הגדלת מ -1.6% ל -9% עד 18%, משמאל לימין). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53625/53625fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/53625/53625fig3.jpg" /> איור 3. שדה אורך מתח בתוך שטח המדגם של עניין. (א) דוגמא מייצגת של פני השטח intimal המדגם מנומרים ואזור המזוהה של עניין. xx מקומי אורך ε המתח (%) (ב) באזור המזוהה של ריבית בהגדלת הרמות של מתח היקפי הגלובלי יושם (הגדלת מ -1.6% ל -9% עד 18%, משמאל לימין). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53625/53625fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן לצפייה גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <table </html style=";text-align:right;direction:rtl">FO: לשמור-together.within עמודים = &quot;1&quot;&gt; <tbody><tr><td> זן גלובלי היקפי [%] </td><td> קורות חיים בYY ε (%) </td><td> קורות חיים בxx ε (%) </td></tr><tr><td> 1.6 </td><td> 11.8 </td><td> 28.1 </td></tr><tr><td> 9.0 </td><td> 7.4 </td><td> 25.1 </td></tr><tr><td> 18.0 </td><td> 5.6 </td><td> 20.7 </td></tr></tbody></table> טבלה 1. מקדמים שונים של שדות הזן. מקדמים שונים (CV) של שדות מתח פני השטח intimal המדגם בשני (YY ε) ההיקפי ו( xx ε) אורך כיוונים ברמות נבחרות של מתח היקפי הגלובלי יושם.

Watch this Scientific Journal Video about Using Digital Image Correlation to Characterize Local Strains on Vascular Tissue Specimens at JoVE.com

Using Digital Image Correlation to Characterize Local Strains on Vascular Tissue Specimens

באמצעות מתאם תמונה דיגיטלי לאפיין זנים מקומיים בדגימות רקמת כלי דם

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.

Characterization of the mechanical behavior of biological and engineered soft tissues is a central component of fundamental biomedical research and ...

using-digital-image-correlation-to-characterize-local-strains-on

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Biology

9.4K Views.  University of South Carolina. 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.

Video: Using Digital Image Correlation to Characterize Local Strains on Vascular Tissue Specimens

Monitoring the Wall Mechanics During Stent Deployment in a Vessel

Clinical trials have reported different restenosis rates for various stent designs1. It is speculated that stent-induced strain concentrations on the arterial wall lead to tissue injury, which initiates restenosis2-7. This hypothesis needs further investigations including better quantifications of non-uniform strain distribution on the artery following stent implantation. A non-contact surface strain measurement method for the stented artery is presented in this work. ARAMIS stereo optical surface strain measurement system uses two optical high speed cameras to capture the motion of each reference point, and resolve three dimensional strains over the deforming surface8,9. As a mesh stent is deployed into a latex vessel with a random contrasting pattern sprayed or drawn on its outer surface, the surface strain is recorded at every instant of the deformation. The calculated strain distributions can then be used to understand the local lesion response, validate the computational models, and formulate hypotheses for further in vivo study.

Stent-induced arterial strain distributions are characterized using an optical surface strain measurement system. This visualization technique is used to gain insights into the impact of stent implantation on the host vessel.

מעקב אחר מכניקה קיר במהלך פריסה סטנט בכלי

Clinical trials have reported different restenosis rates for various stent designs1. It is speculated that stent-induced strain concentrations on the ...

Bioengineering

Observing and Quantifying Fibroblast-mediated Fibrin Gel Compaction

Cells embedded in collagen and fibrin gels attach and exert traction forces on the fibers of the gel. These forces can lead to local and global reorganization and realignment of the gel microstructure. This process proceeds in a complex manner that is dependent in part on the interplay between the location of the cells, the geometry of the gel, and the mechanical constraints on the gel. To better understand how these variables produce global fiber alignment patterns, we use time-lapse differential interference contrast (DIC) microscopy coupled with an environmentally controlled bioreactor to observe the compaction process between geometrically spaced explants (clusters of fibroblasts). The images are then analyzed with a custom image processing algorithm to obtain maps of the strain. The information obtained from this technique can be used to probe the mechanobiology of various cell-matrix interactions, which has important implications for understanding processes in wound healing, disease development, and tissue engineering applications.

Time-lapse microscopy and image processing techniques were used to observe and analyze fibroblast-mediated gel compaction and fibrin fiber realignment in an environmentally controlled bioreactor over a 48 hr&#160;period.

התבוננות וכימות דחיסה של ג'ל פיברובלסט בתיווך פיברין

Cells embedded in collagen and fibrin gels attach and exert traction forces on the fibers of the gel. These forces can lead to local and global ...

Full-field Strain Measurements for Microstructurally Small Fatigue Crack Propagation Using Digital Image Correlation Method

A novel measurement approach is used to reveal the cumulative deformation field at a sub-grain level and to study the influence of microstructure on the growth of microstructurally small fatigue cracks. The proposed strain field analysis methodology is based on the use of a unique pattering technique with a characteristic speckle size of approximately 10 &#181;m. The developed methodology is applied to study the small fatigue crack behavior in body centered cubic (bcc) Fe-Cr ferritic stainless steel with a relatively large grain size allowing a high spatial measurement accuracy at the sub-grain level. This methodology allows the measurement of small fatigue crack growth retardation events and associated intermittent shear strain localization zones ahead of the crack tip. In addition, this can be correlated with the grain orientation and size. Thus, the developed methodology can provide a deeper fundamental understanding of the small fatigue crack growth behavior, required for the development of robust theoretical models for the small fatigue crack&#160;propagation in polycrystalline materials.

Microstructurally small fatigue crack growth behavior is investigated using a novel methodological approach combining crack growth rate measurement and strain-field analysis to reveal the cumulative deformation field at sub-grain level.

זן שדה מלא מידות עבור עייפות Microstructurally קטן לפצח את הפצת בשיטת המתאם תמונה דיגיטלי

A novel measurement approach is used to reveal the cumulative deformation field at a sub-grain level and to study the influence of microstructure on the ...

Engineering

Intermediate Strain Rate Material Characterization with Digital Image Correlation

The mechanical response of a material under dynamic load is typically different than its behavior under static conditions; therefore, the common quasistatic equipment and procedures used for material characterization are not applicable for materials under dynamic loads. The dynamic response of a material depends on its deformation rate and is broadly categorized into high (i.e., greater than 200/s), intermediate (i.e., 10&#8722;200/s) and low strain rate regimes (i.e., below 10/s). Each of these regimes calls for specific facilities and testing protocols to ensure the reliability of the acquired data. Due to the limited access to high-speed servo-hydraulic facilities and validated testing protocols, there is a noticeable gap in the results at the intermediate strain rate. The current manuscript presents a validated protocol for the characterization of different materials at these intermediate strain rates. Strain gauge instrumentation and digital image correlation protocols are also included as complimentary modules to extract the utmost level of detailed data from every single test. Examples of raw data, obtained from a variety of materials and test setups (e.g., tensile and shear) is presented and the analysis procedure used to process the output data is described. Finally, the challenges of dynamic characterization using the current protocol, along with the limitations of the facility and methods of overcoming potential problems are discussed.

Here we present a methodology for the dynamic characterization of tensile specimens at intermediate strain rates using a high-speed servo-hydraulic load frame. Procedures for strain gauge instrumentation and analysis, as well as for digital image correlation strain measurements on the specimens, are also defined.

אפיון חומרים קצב למתח ביניים עם המתאם תמונה דיגיטלי

The mechanical response of a material under dynamic load is typically different than its behavior under static conditions; therefore, the common ...

A Method to Estimate Cadaveric Femur Cortical Strains During Fracture Testing Using Digital Image Correlation

This protocol describes the method using digital image correlation to estimate cortical strain from high speed video images of the cadaveric femoral surface obtained from mechanical testing. This optical method requires a texture of many contrasting fiduciary marks on a solid white background for accurate tracking of surface deformation as loading is applied to the specimen. Immediately prior to testing, the surface of interest in the camera view is painted with a water-based white primer and allowed to dry for several minutes. Then, a black paint is speckled carefully over the white background with special consideration for the even size and shape of the droplets. Illumination is carefully designed and set such that there is optimal contrast of these marks while minimizing reflections through the use of filters. Images were obtained through high speed video capture at up to 12,000 frames/s. The key images prior to and including the fracture event are extracted and deformations are estimated between successive frames in carefully sized interrogation windows over a specified region of interest. These deformations are then used to compute surface strain temporally during the fracture test. The strain data is very useful for identifying fracture initiation within the femur, and for eventual validation of proximal femur fracture strength models derived from Quantitative Computed Tomography-based Finite Element Analysis (QCT/FEA).

In this protocol, the femur surface strains are estimated during fracture testing using the digital image correlation technique. The novelty of the method involves application of a high-contrast stochastic speckle pattern on the femur surface, carefully specified illumination, high speed video capture, and digital image correlation analysis for strain calculations.

שיטה להעריך זנים קורטיקליים Cadaveric הירך בזמן שבר בדיקה באמצעות מתאם תמונה דיגיטלי

This protocol describes the method using digital image correlation to estimate cortical strain from high speed video images of the cadaveric femoral ...

Measuring Local Tissue Strains in Tendons via Open-Source Digital Image Correlation

There is considerable scientific interest in understanding the strains that tendon cells experience in situ and how these strains influence tissue remodeling. Based on this interest, several analytical techniques have been developed to measure local tissue strains within tendon explants during loading. However, in several cases, the accuracy and sensitivity of these techniques have not been reported, and none of the algorithms are publicly available. This has made it difficult for the more widespread measurement of local tissue strains in tendon explants. Therefore, the objective of this paper was to create a validated analysis tool for measuring local tissue strains in tendon explants that is readily available and easy to use. Specifically, a publicly available augmented-Lagrangian digital image correlation (ALDIC) algorithm was adapted for measuring 2D strains by tracking the displacements of cell nuclei within mouse Achilles tendons under uniaxial tension. Additionally, the accuracy of the calculated strains was validated by analyzing digitally transformed images, as well as by comparing the strains with values determined from an independent technique (i.e., photobleached lines). Finally, a technique was incorporated into the algorithm to reconstruct the reference image using the calculated displacement field, which can be used to assess the accuracy of the algorithm in the absence of known strain values or a secondary measurement technique. The algorithm is capable of measuring strains up to 0.1 with an accuracy of 0.00015. The technique for comparing a reconstructed reference image with the actual reference image successfully identified samples that had erroneous data and indicated that, in samples with good data, approximately 85% of the displacement field was accurate. Finally, the strains measured in mouse Achilles tendons were consistent with the prior literature. Therefore, this algorithm is a highly useful and adaptable tool for accurately measuring local tissue strains in tendons.

Measuring Local Tissue Strains in Tendons via Open-Source Digital Image Correlation

This paper describes an open-source digital image correlation algorithm for measuring local 2D tissue strains within tendon explants. The accuracy of the technique has been validated using multiple techniques, and it is available for public use.

מדידת זני רקמה מקומיים בגידים באמצעות מתאם תמונה דיגיטלית בקוד פתוח

There is considerable scientific interest in understanding the strains that tendon cells experience in situ and how these strains influence tissue ...

Controlled Strain of 3D Hydrogels under Live Microscopy Imaging

External forces are an important factor in tissue formation, development, and maintenance. The effects of these forces are often studied using specialized in vitro stretching methods. Various available systems use 2D substrate-based stretchers, while the accessibility of 3D techniques to strain soft hydrogels, is more restricted. Here, we describe a method that allows external stretching of soft hydrogels from their circumference, using an elastic silicone strip as the sample carrier. The stretching system utilized in this protocol is constructed from 3D-printed parts and low-cost electronics, making it simple and easy to replicate in other labs. The experimental process begins with polymerizing thick (&#62;100 &#956;m) soft fibrin hydrogels (Elastic Modulus of ~100 Pa) in a cut-out at the center of a silicone strip. Silicone-gel constructs are then attached to the printed-stretching device and placed on the confocal microscope stage. Under live microscopy the stretching device is activated, and the gels are imaged at various stretch magnitudes. Image processing is then used to quantify the resulting gel deformations, demonstrating relatively homogenous strains and fiber alignment throughout the gel&#8217;s 3D thickness (Z-axis). Advantages of this method include the ability to strain extremely soft hydrogels in 3D while executing in situ microscopy, and the freedom to manipulate the geometry and size of the sample according to the user&#8217;s needs. Additionally, with proper adaptation, this method can be used to stretch other types of hydrogels (e.g., collagen, polyacrylamide or polyethylene glycol) and can allow for analysis of cells and tissue response to external forces under more biomimetic 3D conditions.

The presented method involves uniaxial stretching of 3D soft hydrogels embedded in silicone rubber while allowing live confocal microscopy. Characterization of the external and internal hydrogel strains as well as fiber alignment are demonstrated. The device and protocol developed can assess the response of cells to various strain regimes.

זן מבוקר של הידרוג'ל תלת מימדי תחת הדמיה מיקרוסקופית חיה

External forces are an important factor in tissue formation, development, and maintenance. The effects of these forces are often studied using specialized ...

A Method to Study the Correlation Between Local Collagen Structure and Mechanical Properties of Atherosclerotic Plaque Fibrous Tissue

The rupture of atherosclerotic plaques in coronary and carotid arteries is the primary cause of fatal cardiovascular events. However, the rupture mechanics of the heterogeneous, highly collagenous plaque tissue, and how this is related to the tissue's fibrous structure, are not known yet. Existing pipelines to study plaque mechanics are limited to obtaining only gross mechanical characteristics of the plaque tissue, based on the assumption of structural homogeneity of the tissue. However, fibrous plaque tissue is structurally heterogeneous, arguably mainly due to local variation in the collagen fiber architecture.
The mechano-imaging pipeline described here has been developed to study the heterogeneous structural and mechanical plaque properties. In this pipeline, the tissue's local collagen architecture is characterized using multiphoton microscopy (MPM) with second-harmonic generation (SHG), and the tissue's failure behavior is characterized under uniaxial tensile testing conditions using digital image correlation (DIC) analysis. This experimental pipeline enables correlation of the local predominant angle and dispersion of collagen fiber orientation, the rupture behavior, and the strain fingerprints of the fibrous plaque tissue. The obtained knowledge is key to better understand, predict, and prevent atherosclerotic plaque rupture events.

We have developed a mechano-imaging pipeline to study the heterogeneous structural and mechanical atherosclerotic plaque properties. This pipeline enables correlation of the local predominant angle and dispersion of collagen fiber orientation, the rupture behavior, and the strain fingerprints of the fibrous plaque tissue.

שיטה לחקר הקשר בין מבנה הקולגן המקומי לבין התכונות המכניות של רובד טרשתי ברקמה סיבית

The rupture of atherosclerotic plaques in coronary and carotid arteries is the primary cause of fatal cardiovascular events. However, the rupture ...

A Novel Approach to Monitoring Graft Neovascularization in the Human Gingiva

Laser speckle contrast imaging (LSCI) is a novel method for measuring superficial blood perfusion over large areas. Since it is non-invasive and avoids direct contact with the measured area, it is suitable for monitoring blood flow changes during wound healing in human patients. Vestibuloplasty is periodontal surgery to the oral vestibule, aiming to restore vestibular depth with simultaneous enlargement of the keratinized gingiva. In this special clinical case, a split thickness flap was elevated at the first upper premolar and a xenogenic collagen matrix was adapted to the resulting recipient bed. LSCI was used to monitor the re- and neovascularization of the graft and the surrounding mucosa for one year. A protocol is introduced for the correct adjustment of microcirculation measurement in the oral mucosa, highlighting difficulties and possible failures.
The clinical case study presented demonstrated that &#8212; following the appropriate protocol &#8212; LSCI is a suitable and reliable method for following up microcirculation in a healing wound in the human oral mucosa and gives useful information on graft integration.

This study introduces a protocol for measuring microcirculation in human oral mucosa by laser speckle contrast imaging. The monitoring of wound healing after vestibuloplasty combined with a xenogenic collagen graft is presented on a clinical case.

הגישה של הרומן ניטור שתל כורוידאלית ב Gingiva אנושי

Laser speckle contrast imaging (LSCI) is a novel method for measuring superficial blood perfusion over large areas. Since it is non-invasive and avoids ...

Medicine

Quantification of Vascular Parameters in Whole Mount Retinas of Mice with Non-Proliferative and Proliferative Retinopathies

Retinopathies are a heterogeneous group of diseases that affect the neurosensory tissue of the eye. They are characterized by neurodegeneration, gliosis&#160;and a progressive change in vascular function and structure. Although the onset of the retinopathies is characterized by subtle disturbances in visual perception, the modifications in the vascular plexus are the first signs detected by clinicians. The absence or presence of neovascularization determines whether the retinopathy is classified as either non-proliferative (NPDR) or proliferative (PDR). In this sense, several animal models tried to mimic specific vascular features of each stage to determine the underlying mechanisms involved in endothelium alterations, neuronal death and other events taking place in the retina. In this article, we will provide a complete description of the procedures required for the measurement of retinal vascular parameters in adults and early birth mice at postnatal day (P)17. We will detail the protocols to carry out retinal vascular staining with Isolectin GSA-IB4 in whole mounts for later microscopic visualization. Key steps for image processing with Image J Fiji software are also provided, therefore, the readers will be able to measure vessel density, diameter and tortuosity, vascular branching, as well as avascular and neovascular areas. These tools are highly helpful to evaluate and quantify vascular alterations in both non-proliferative and proliferative retinopathies.

This article describes a well-established and reproducible lectin stain assay for the whole mount retinal preparations and the protocols required for the quantitative measurement of vascular parameters frequently altered in proliferative and non-proliferative retinopathies.