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

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HINWEIS: Die nachfolgend beschriebenen Verfahren wurden im Rahmen eines Protokolls von der Institutional Animal Care und Verwenden Committee an der University of South Carolina in Columbia, South Carolina genehmigt durchgeführt. 1. Tissue Erwerb und Dissection <ol><li> Sterilisieren Sie alle chirurgischen Werkzeugen vor Gewebedissektion. Autoklaven chirurgische Scheren und Feinstandardzangen sowie chirurgische Klingen unter einem Druck von 15 psi und einer Temperatur von 121 ° C für 15 min. </li><li> Erwerben Sie einen Satz frischer Schweine (7 Monate alten Landrasse Männlich, 60-70 kg) die Nieren mit intakter Aorta von einem lokalen Schlachthof. Transportgewebe zurück zum Labor in Eiswasser 1% phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS). </li><li> Unmittelbar nach der Ankunft, zu isolieren, die Bauchaorta vom umgebenden Gewebe mit chirurgischen Schere und Pinzette. </li><li> Waschen des Gefäßes dreimal mit einer 50 ml Spritze, die mit PBS (pH 7,2) gefüllt. Mit Hilfe der Schere und Pinzette, entfernen Sie so viel perivaskuläre Gewebe possIVK, ohne die Integrität der Probe. </li><li> Vertikal positionieren einer scharfen Rasierklinge auf den Mittelteil des Schiffes und sicherzustellen, dass sie senkrecht zur Gefäßlängsachse ist. Schaffen zwei Ringproben mit jeweils einer Breite von etwa 20 mm durch Anwendung von drei aufeinanderfolgenden Umfangseinschnitte mit der Rasierklinge. </li><li> Vertikale Positionierung einer scharfen Rasierklinge auf eine Ringprobe, so dass die Klinge in der Radialrichtung orientiert ist. Tragen Sie eine akute Kraft, um eine Radialschnitt, der in einem streifenförmigen Probe für einachsige mechanischen Testergebnisse zu erhalten. Legen Sie die Probe in einem 100 mm Glaspetrischale und tauchen in PBS, bis die Anwendung von Oberflächenrauschen. Wiederholen Sie dies für den zweiten Ring Probe. </li></ol> 2. Erstellung von Oberflächen Speckle Pattern <ol><li> Schließen Sie die Airbrush, um das Druckventil. </li><li> Stellen Sie den Düsendurchmesser der Airbrush, um Flecken von 60-100 &amp; mgr; m zu ergeben (geeigneten Bereich für die Düsendurchmesser sollvon den ersten Studien bestimmt werden). </li><li> Gießen Sie ungefähr 2 ml schwarz Gewebemarkierungsfarbstoff in die Schwerkraftzuführung des Airbrush. </li><li> Legen Sie die Spritzpistole ca. 0,5 m entfernt von der Probe. </li><li> Entfernen Sie die Probe aus der Petrischale. Spray Gewebemarkierungs Farbstoff auf der intimalen Oberfläche der Probe für etwa 5 s unter einem Spritzdruck von 100 psi. Dreimal wiederholen, um sicherzustellen, dass das Speckle-Muster einheitlich die Probenoberfläche umfasst. </li></ol> 3. Durchführung von Experimenten <ol><li> Befestigen jedes Endes der Probe auf einen Kunststoffstreifen (1 cm Breite x 1 cm Länge x 0,5 cm Dicke) unter Verwendung eines Gewebeklebers. Legen Sie die Probe auf einer Gewebeschneidebrett. Positionieren Sie die Probe, so dass sie flach liegt und messen ihren Dimensionen mit Hilfe eines digitalen Messschieber. </li><li> Initiieren Sie Systemsteuerungen für die mechanische Prüfung. Auf das System Home-Bildschirm steuert, wählen Sie &quot;Waveform&quot; auf der Taskleiste auf der Registerkarte &quot;Setup&quot; befindet. </li><li> Anzeigenur die Position der Obergriff des mechanischen Tester -4 mm (4 mm Erweiterung relativ zu dem bezeichneten Ausgangsposition in dem System). Sichern Sie vorsichtig einen Kunststoffstreifen (nach dem Muster in 3.1 im Anhang) in die obere Griff der mechanischen Tester und damit die Probe frei hängen. Den digitalen Sattel zu gewährleisten, dass der Abstand zwischen der Probe und dem Obergriff von weniger als 2 mm ist. </li><li> Die Position des Untergriffs manuell einzustellen, so daß das freie Ende der Probe ohne Erweiterung gesichert werden. Sichern Sie vorsichtig die Kunststoffstreifen mit dem freien Ende der Probe in den unteren Griff der mechanischen Tester befestigt. <ol><li> Den digitalen Sattel zu gewährleisten, dass der Abstand zwischen der Probe und den unteren Griff weniger als 2 mm ist. Null das System Wägezelle. Messen Sie die Länge der Probe und dies als die Referenzlänge für die Berechnung des Gesamtumfangs Stämme. </li></ol></li><li> Geben Sie den mechanischen Testprotokoll. Die in t verwendete Protokollseine Vorführung mit 4 uniaxialen Verschiebungszyklen, die die Länge der Probe bei einer Verschiebungsgeschwindigkeit von 0,01 mm / s um 18% zu verlängern. </li><li> Intermittierend zu sprühen PBS auf die Probe während des gesamten restlichen Testprotokoll, um sicherzustellen, dass sie hydratisiert bleibt. </li><li> Montieren Sie die Kamera (5 Megapixel-Kamera, 100-mm-Objektiv, Pixelgröße von 3,49 &amp; mgr; m) auf einem Stativ, das positioniert ist 1,5 m von der Laderahmen. Achten Sie darauf, die Kamera und der Probenoberfläche durch Einstellen der Kamera auf den niedrigsten verfügbaren Bereich der Tiefe und Manipulieren von seiner Ausrichtung, so dass das gesamte Sichtfeld im Fokus ist senkrecht. </li><li> Öffnen Sie das Bild-Capture-Software. </li><li> Wählen Sie &quot;PGR-2&quot; in der Option &quot;System wählen&quot;. </li><li> Wählen Sie den Projektpfad, um die Bilder zu speichern, um zu analysieren. </li><li> Klicken Sie auf das Symbol &quot;Time Square&quot; und geben Sie das Erfassungsintervall als 5 Sek. </li><li> Stellen Sie die Belichtung, numerische Apertur und Fokus des Objektivs, um so eine klare Sicht auf die Probe zu erhalten. </li><li> Stellen Sie die Position der LED, um eine ausreichende Beleuchtung der Probe bereitzustellen. </li><li> Klicken Sie auf das Symbol &quot;Start&quot; in der Bild-Capture-Software, um ein Bild der Probenoberfläche zu erhalten. </li><li> Öffnen Sie die Bildanalyse-Software. </li><li> Importieren Sie das erhaltene Bild. Zoom auf einen einzelnen Tupfen, und dann zählen Anzahl von Pixeln innerhalb dieser einzelnen Speckle. Hinweis: Finden Sie einen Vertreter schwarzen Flecken. Definieren die Fleckengröße als die lineare Entfernung zwischen den Bildpunkten auf beiden Seiten des Flecken ähnlich hohe Werte haben. Für eine akzeptable Fleckengröße, sollte die Anzahl der Pixel über die Breite eines typischen Speckle größer als 3 Pixel betragen. Verbessert die räumliche Auflösung der Messungen sollten die meisten Flecken nicht mehr als 5-7 Pixel über die Breite des Speckle zu haben, wann immer möglich. Somit würde eine typische Speckle für diesen Fall zwischen 10 &amp; mgr; m am kleinsten und 23 um auf der größten linearen Abmessung in reichen. Um festzustellen, eine entsprechende TeilmengeGröße, sollte eine typische Teilmenge mindestens 3 weißen und 3 schwarzen Sprenkeln über seine Breite haben. Wenn ein typisches Speckle ist 5 Pixel in der linearen Dimension, dann würde jede 31x31 Teilmenge mindestens 105 &amp; mgr; m in der linearen Dimension sein. Der Abstand zwischen den Teilstellen sollte mindestens 1/6 der linearen Dimension sein. Somit wird für einen 31x31 Subsetgröße ist der Abstand 5 Pixeln, die 18 um in der linearen Entfernung darstellt. </li><li> Nach Überprüfung der Qualität der Speckle-Muster, gleichzeitig auf das Symbol &quot;Ausführen&quot; im System und Symbol &quot;Start&quot; in der Bild-Capture-Software, um den Test zu starten. </li><li> Erfassen Sie eine Reihe von Bildern während des Tests unter Verwendung der Kamera und Bildaufnahmesoftware. </li></ol> 4. Aufräumverfahren nach dem Experiment <ol><li> Legen Sie die Probe verworfen in biohazard Beutel und schließen Sie die Tasche. Rufen Sie das Department of Environmental Health and Safety (EHS) an der Universität von South Carolina für die ordnungsgemäße Entsorgung. </li><li> Bereiten Sie eine Phosphat-Desinfektionsmittel-Lösung mit einem 1:64 Verdünnungsverhältnis von Reinigungsmittel Desinfektionsmittel, um destilliertes Wasser. Einweichen der chirurgischen Werkzeuge in dieser Lösung für 20 min. </li><li> Die in 4.2 mit destilliertem Wasser beschriebenen Produkte gründlich ausspülen. Trocknen Sie die Werkzeuge mit einem Papiertuch und dann sprühen sie mit einer 70% igen Ethanollösung. Wieder einmal die chirurgische Instrumente mit einem Papiertuch trocknen und setzen Sie diese wieder in der chirurgischen Werkzeugkasten. </li></ol> 5. Bildanalyse, um die lokale Spannungsfeld Messen <ol><li> Öffnen Sie die Bildanalyse-Software. </li><li> Klicken Sie auf die Registerkarte &quot;Speckle-Bilder&quot;, wählen Sie alle Bilder, die analysiert werden müssen. </li><li> Klicken Sie auf das Rechteck-Werkzeug und wählen Sie den Bereich von Interesse in dem ersten Bild. </li><li> Geben Teil Größe 41 × 41 Pixeln und Schrittweite 5 Pixel. </li><li> Klicken Sie auf Starten Analyse Registerkarte in der Software, wählen Sie die Interpolation optimierten 8-Falle; wählen Sie das Kriterium als Null normalisiert quadrierten Differenzen und Teilgewichte Option Gaussian. </li><li>Stellen Sie die Schwelle Optionen als Standard in der Software. </li><li> Klicken Sie auf das Post-Processing-Unterregisterkarte in Startanalyse Registerkarte. Klicken Sie auf Option Stamm Berechnung und verlassen Filtergröße und Filtertyp als Standard in der Software. Wählen Tensor geben Lagrange. </li><li> Wählen Sie Daten Registerkarte und wählen Sie ein beliebiges Bild analysiert dann zur Visualisierung der Oberflächenspannungsfeld. </li></ol>

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Die Autoren haben keine potenziellen Interessenkonflikte.

Obwohl frühere Studien haben eine breite Palette von Farbstoff-Tracking-Video-Methoden zur Probendehnungs 18,20,21,23,24 zu bewerten, ist unser gegenwärtiges Ziel, eine umfassende Methodik zur Kopplung einachsigen Zugversuch mit 2D-DIC für die Bewertung liefern Oberflächen Belastungen für vaskuläre Gewebeproben. Mit einer hochauflösenden Kamera und Inhouse-Bildanalyse-Software kann das Spannungsfeld innerhalb eines vorbestimmten Oberflächenbereich gemessen werden, wenn die Probe erfährt einachsiger B...

Eine reiche Geschichte der Forschung überspannt mehr als 50 Jahren hat sich auf die Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften von Gefäßgewebe konzentriert. Diese Untersuchungen ermöglichen es uns, sowohl die physiologische und pathologische Verhalten der Blutgefäße besser zu verstehen, eine Grundlage für die Bewertung der Wirksamkeit / Verträglichkeit der endovaskulären Prothesen und Hilfsmittel bei der Konstruktion und Herstellung von technischen Gefäßkonstrukte 1-6. Genaue Messung der mechanischen Reaktion des Weichgewebes und konstitutive Modellierung ihrer mechanischen Eigenschaften inhärent herausfordernd aufgrund der mechanischen Heterogenität Anisotropie und Nichtlinearität durch die meisten Gewebetypen zeigten. Außerdem sind experimentelle Messungen oft von lokalen Komplexität bei Probe Griff Schnittstellen im Verlauf der mechanischen Prüfung eingeführt (dh Biegung, Reibung, Spannungskonzentrationen, Reißen) und der unvermeidlichen Übergang der mechanischen Eigenschaften, wenn Gewebe von lebenden Tier herausgeschnitten verwechselt. &lt;/ p&gt; Einachsiges -Zugversuch gehört zu den einfachsten mechanischen Tests, die an einer Probe aus einem festen Material durchgeführt werden können, und wird oft verwendet, um die mechanische Antwort des vaskulären Gewebes zu bewerten. Ergebnisse dieser Experimente liefern nützliche Vorabinformationen zu den beiden einheimischen und konstruiert Gewebequellen, und kann verwendet werden, um die Auswirkungen von bestimmten Behandlungen, Krankheitszuständen oder pharmakologische Verbindungen auf das mechanische Verhalten der Gefäßwand 7-11 vergleichen. Einachsige mechanische Prüfung von Weichteilen wird in der Regel anhand von Proben mit relativ einheitliche Geometrien, die am häufigsten Hundeknochens oder ringförmigen 7,8,12-14 ausgeführt. Jedoch können deutliche Abkehr von diesen idealisierten Geometrien aufgrund Herausforderungen Gewebedissektion, Isolierung und Klemm innerhalb des Testsystems zugeordnet sind kommen. Jede Ungleichförmigkeit in der Geometrie wird letztlich führen zu heterogen Spannung und DehnungFelder, wenn die Probe auf uniaxiale Dehnung unterworfen wird, wobei der Grad der Heterogenität unabhängig von der tatsächlichen Probenform sowie Probengröße (bezogen auf den Griff) und die mechanischen Eigenschaften des Materials 9,15,16. Wenn Feld Heterogenitäten sind signifikant, Probe-Stamm-Berechnungen auf der Grundlage der relativen Griffpositionen sind ungenau und somit eine unzureichende Grundlage für die Beurteilung mechanische Verhalten. Video-Analyse-Systeme sind weit verbreitet für Dehnungsmessungen der Weichteile verwendet, die oft mit hohem Kontrast zur Probenoberfläche aufgebracht 17,18 Farbstoffmarker. Digitale Bildkorrelation, einem optischen metrologischen Technik, die Vollfeld Oberflächenbelastung, die durch den Vergleich Graustufenintensitätswerte auf der Probenoberfläche vor und nach der Verformung misst, in Verbindung mit Video verwendet Analysen der Weichteile 19-21. Es gibt mehrere Vorteile der digitalen Bildkorrelation verglichen mit interferometrIC-Methoden, die für die Messungen eingesetzt werden können. Erstens als berührungslose Messverfahren minimiert er die verwirrende Wirkungen der Änderung von Stoffeigenschaften aufgrund der Art, in der das Meßsystem beeinflußt die Probe. Zweitens erfordert es eine viel weniger strengen Messumgebung und hat einen breiteren Bereich von Empfindlichkeit und Auflösung als andere Methoden. Drittens, mit der Fähigkeit zur Erfassung einer vollständigen Gesichtsfeld ausgestattet ist, kann diese Technik sowohl den Durchschnitt und die lokalen mechanischen Reaktionen zu charakterisieren. Ausführliche Erläuterung des Verfahrens werden die Leser aufgefordert, das Buch von Sutton 22 zu sehen. Zu Spannungsfeldern auf der Probenoberfläche zu erhalten, kann eine zweidimensionale digitale Bildkorrelationstechnik (2D-DIC) eingesetzt werden. Kurz gesagt, werden die Bilder der Probe bei unbelastetem und verschiedene geladene Zustände erfasst. Das erste Bild wird in kleine Quadrate genannt Teilmengen (M × M Pixel), die ein Gitter für nachfolgende Berechnung bilden geteilt2D Spannungsfelder. Die Position jedes Quadrat in den verformten Probe wird unter Verwendung eines Bildabgleichalgorithmus erhalten. Die Bewegung jedes Quadrates wird dann verfolgt, Bild-für-Bild, wodurch Verschiebungsfelder, die dann verwendet werden kann, um eine Verformung Gradienten und Spannungen über eine Vielzahl von Verfahren, einschließlich Polynomanpassung oder Finite-Elemente-Interpolation abgeleitet werden. In dem vorliegenden Manuskript, bieten wir eine detaillierte Methodik für die Bewertung der Oberflächenspannungsfelder auf nativen Gefäßgewebe über Integration von einachsigen Zugversuch und 2D-DIC.

<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.

Die von einem Rampen einachsigen Verlängerungstest an vaskuläres Gewebe erfasst mechanischen Daten aus Last gegenüber angewandt Probenverdrängungs Beziehungen zu einem bestimmten Verschiebungsrate. In dieser Studie, 2D-DIC in Verbindung mit einachsigen mechanischen Prüfung wird verwendet, um die Oberflächenspannungsfelder der Probe in orthogonalen Richtungen an verschiedenen verformten Zuständen zu messen. Die viskoelastische Natur des vaskulären Gewebes wird durch den bemerkensw...

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

Verwenden von Bildkorrelation Lokale Stämme auf Gefäßgewebeproben zu charakterisieren

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

Research

JoVE Journal

Biology

9.4K Aufrufe.  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.

Serie: 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.

Die Überwachung der Wand Mechanik Während der Entfaltung des Stents in einem Gefäß

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

Forschung

Biotechnik

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.

Beobachtung und Quantifizierung von Fibroblasten-vermittelter Fibrin-Gelverdichtung

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.

Flächenhafte Dehnungsmessungen für Microstructurally kleine Müdigkeit Rissausbreitung Digitalbild Korrelation Methode

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 ...

Ingenieurwesen

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.

Mittlere Belastung Rate Materialcharakterisierung mit digitaler Bildkorrelation

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.

Eine Methode, um Cadaveric Femur kortikalen Stämme während Fraktur Tests mit digitaler Bildkorrelation schätzen

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.

Messung lokaler Gewebebelastungen in Sehnen mittels digitaler Open-Source-Bildkorrelation

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.

Kontrollierte Dehnung von 3D-Hydrogelen unter Live-Mikroskopie-Bildgebung

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.

Eine Methode zur Untersuchung der Korrelation zwischen lokaler Kollagenstruktur und mechanischen Eigenschaften von atherosklerotischem Plaque-Fasergewebe

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.

Ein neuer Ansatz zur Überwachung Graft Neovaskularisation in der menschlichen 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 ...

Medizin

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.