Un método para estimar las cepas Cortical fémur cadavérico durante fractura correlación Digital de imágenes usando la prueba

Resumen

En el presente Protocolo, las tensiones superficiales de fémur se estiman durante la prueba de fractura mediante la técnica de correlación digital de imágenes. La novedad del método consiste en la aplicación de un patrón de punto estocástico de alto contraste en la superficie del fémur, iluminación cuidadosamente especificada, captura de vídeo de alta velocidad y análisis de correlación digital de imágenes para los cálculos de tensión.

Resumen

Este protocolo describe el método mediante correlación digital de imágenes para estimar la deformación cortical de imágenes de vídeo de alta velocidad de la superficie femoral cadavérica obtenidos de ensayos mecánicos. Este método óptico requiere una textura de muchas marcas fiduciarias contraste sobre un fondo blanco sólido para el seguimiento preciso de la deformación superficial carga es aplicada a la muestra. Inmediatamente antes de la prueba, la superficie de interés en la vista de cámara es había pintada con una imprimación blanca a base de agua y deja secar durante varios minutos. Es pues, una pintura negra moteada cuidadosamente sobre el fondo blanco con la consideración especial para el tamaño y la forma de las gotas hasta. Iluminación es cuidadosamente diseñada y que es el contraste óptimo de estas marcas y reducir al mínimo reflexiones mediante el uso de filtros. Imágenes fueron obtenidas a través de la captura de vídeo de alta velocidad a hasta 12.000 fotogramas/s. Se extraen imágenes de claves del antes y el evento de fractura y deformaciones se estiman entre fotogramas sucesivos en ventanas de tamaño cuidadosamente interrogatorio sobre una región determinada de interés. Estas deformaciones se utilizan entonces para calcular la tensión superficial temporal durante la prueba de fractura. Los datos de tensión están muy útiles para determinar la iniciación de la fractura en el fémur y eventual validación de modelos de fuerza de fractura de fémur proximal derivados basados en la tomografía computada cuantitativa análisis por elementos finitos (QCT/FEA).

Introducción

Correlación de imagen digital (CID) es una imagen post-procesamiento de método que se utiliza en el protocolo actual para estimar la tensión superficial de campo completo de probetas cadavérico femoral de secuencia de tiempo de las imágenes obtenidas durante las pruebas de mecánica de la fractura. La técnica primero fue desarrollada y aplicada en análisis experimental en los años 80 y ha experimentado un rápido incremento en uso en estos últimos años^1,2,3. Tiene varias ventajas sobre los enfoques más tradicionales de montaje de galgas extensométricas en una estructura de mayor distribución espacial del campo de tensión, de calibre más fino longitudes a través de la cámara de mayor resolución y evitar problemas con la galga de tensión Pegue la adherencia o cumplimiento. Una ventaja importante de DIC para tejidos biológicos, como los huesos, es que puede ser aplicado a geometrías irregulares que consta de^4,de propiedades altamente heterogénea del material⁵. Su principal inconveniente sobre métodos de adquisición de la tradicional cepa es que requiere costosos alta velocidad cámaras de vídeo de resolución suficiente para la medición de la región de interés para lograr suficiente espacial y temporal de muestreo a exactamente calcular campos de tensión.

La principal aplicación de los campos de tensión temporal de fractura ósea análisis DIC es validar las estimaciones de variedad en modelos QCT/FEA de fuerza femoral⁵. Dicha validación es el foco de muchos grupos de investigación ortopédica que predominantemente utilizan mediciones remotas de fuerza y desplazamiento de celdas de carga y transductores de desplazamiento^6,7,8. Además, análisis de imagen de fractura después del patrón de fractura se ha combinado con estas mediciones remotas como otros medios de validación de modelo⁹. Más recientemente, se aplicó el método DIC para validar un modelo FEA de fractura y crack propagación en el fémur proximal¹⁰. Utilizando la correlación de la tensión entre los modelos y experimentos, incluso más confianza en la validez de los modelos computacionales de los fémures proximales se obtendrá y avanzar el uso más cercano de la clínica del método de diagnóstico de QCT/FEA.

Este trabajo explica un protocolo detallado para incorporar las medidas necesarias para el análisis DIC en la prueba de fractura de fémur proximal. El procedimiento incluye los pasos de preparación de hueso de rociar una pintura blanca sobre la superficie del hueso y luego moteado de manchas negras sobre la blanca superficie seca del hueso, métodos de obtención de imágenes con suficiente resolución espacial y temporal mediante alta velocidad video cámaras y el proceso y herramientas que hemos utilizado para calcular los campos de tensión de estas imágenes. También explicamos varias salvedades que puedan afectar la calidad de las mediciones.

Protocolo

todos los experimentos se llevaron a cabo con la aprobación de la Junta de revisión institucional. Las muestras se obtuvieron de los laboratorios de investigación anatómica en colaboración.

1. preparación de muestras para pruebas

1. descongelar los fémures a TA por 24 h.
2. Cuando el fémur está en cola para la prueba, retire cualquier envoltura que se aplicó antes de la congelación y el fémur con una toalla seca para eliminar cualquier humedad remanente, depósitos de grasa o tejidos blandos. Pote del trocánter mayor en una taza de aluminio prefabricada con cemento óseo.
3. Utilizar una caja para contener las partículas lo más posibles, rociar el hueso con imprimación blanca plástico para lograr una capa fina y uniforme. Tenga cuidado de cubrir el hueso con una capa uniforme de pintura óptimo contraste y fuerte adherencia a la superficie del fémur de.
   Nota: No se midió el espesor de.
4. Dejar que la pintura seque durante al menos 5 minutos. Esto es importante para evitar la mezcla accidental con gotitas manchadas en la sección 2.
5. Envolver el hueso con un paño húmedo para evitar la sequedad del tejido.

2. Moteado de proceso

1. aproximadamente, añadir 1 parte de agua a 2 partes de pintura para mejor moteado del hueso. Añadir agua poco a poco (para una mejor mezcla) a la pintura acrílica para hacer un color negro.
2. Mojar un cepillo de dientes limpio en una paleta de pintura negra para absorber el color y el pincel para hacer los puntos negros en la capa blanca de la película.
3. Deje la pintura seca durante 5 minutos antes de proceder.

3. Adquisición de imágenes

1. montar el fémur moteado dispuesto en la máquina de prueba mecánica insertando el extremo distal en maceta en el aparato y apriete los dos tornillos para fijar la muestra.
2. Ajuste los dos reflectores de luz de descarga de alta intensidad tales que la superficie del fémur alcanza la máxima iluminación posible evitando reflejos en la imagen de la cámara. Proceder rápidamente con los pasos siguientes en la sección 3 para evitar el calentamiento no deseado de la muestra de radiación de la luz antes de la prueba
3. Reducir la abertura de la parte delantera y trasera ver lentes de cámara de vídeo de alta velocidad tal que toda la región de interés del fémur en el campo de visión está en foco.
4. Reajustar los reflectores de luz para mejorar aún más la iluminación reduciendo fulgor.
5. Ajustar el software de adquisición de imagen para capturar a 6000 frames/s con una resolución de 1024 x 512 píxeles. Establecer el número total de fotogramas que se adquirirá después de recibe la señal de disparo a 12288. Software de vídeo de alta velocidad para la adquisición de la imagen del brazo cuando se recibe la señal de disparo del sistema de prueba. Cuando la prueba se completa, el vídeo reside en la cámara ' de memoria intermedia de s.
6. El software de adquisición de imagen, guardar el video en el disco especificando un nombre de ruta de acceso y deseado y pulsando " guardar ". Estar preparado para esperar entre 5-40 min para que este proceso según el número de fotogramas que se ahorrarán.

4. Preparación de la imagen

1. crear directorios de trabajo separadas para vistas frontales y posterior del fémur.
2. Utilizar software de análisis de vídeo para abrir la grabación de vídeo de alta velocidad apropiado y tenga en cuenta los números de referencia de fotograma clave a 1) el Inicio de movimiento de actuador de marco de carga y 2) el marco inmediatamente después de que el evento fractura.
3. Para reducir la resolución una secuencia de imágenes TIFF sin comprimir de vídeo de alta velocidad, abra y ejecute el " mov_frames.m " secuencia de comandos en el directorio de trabajo para el lado de fémur pertinente.
   1. En el cuadro de diálogo resultante, escriba final el número identificado en el paso 4.2 con un tamaño de paso de 25-40. Haga clic en " Extracto de Marcos " y examine el directorio de trabajo para asegurar correctamente se extrajeron los archivos de *.tiff.

5. Creación de malla de elemento finito

1. uso un externo mallado de elementos finitos del programa para crear la malla de elementos finitos. Calcular las tensiones 2D de los vectores de desplazamiento diferencial con el método de elementos finitos. Importar la imagen inicial *.tiff extraído en el preprocesador de software de elementos finitos como plantilla para la creación de spline.
2. Encuentran dos fáciles de identificar puntos fiduciarios en la imagen que se encuentran en esquinas opuestas del cuadro y registrar sus coordenadas X e Y (éstos eventualmente se utilizará en el paso 6.1). Estas coordenadas son arbitrarias basados en la Convención el software FEA se utiliza para importar la imagen *.tiff. Las coordenadas de estos puntos se utilizarán para registrar los nodos de la malla de elementos finitos con los píxeles correspondientes de las imágenes de vídeo en el paso 6.2.
3. En un software de edición de imágenes, abra la misma imagen que se importó en el preprocesador de software de elementos finitos y registrar los valores X e Y de la dirección de los píxeles asociados con los puntos identificados en el paso 5.2. Estos eventualmente se utilizará en el paso 6.1.
4. En la " dibujo " módulo de elemento finito mallado programa, utilice la herramienta spline para delinear una sección cerrada que representa la región de interés. Verificar que la región no es muy grande tal que la superficie del hueso se movería fuera de la previa de la región a la fractura debido a la rotación.
5. Preparar la sección cerrada creada en el paso 5.4 para endentar por siembra los bordes con una malla global de 1 mm bajo el menú de " semilla de instancia ".
6. Bajo " asignar controles de malla ", establecer la forma del elemento a cuadrilátero.
7. La sección cerrada de malla.
8. La malla de la exportación a un archivo ASCII de la base de malla de coordenadas nodales y las definiciones de elemento.
9. Con el resultante de elementos finitos archivo de entrada abierto en un editor de texto, copie el bloque del nodo que contiene números de nodo y coordenadas en un nuevo archivo de texto y guardar como " nodes.txt ". Repita para el bloque de elemento y guardar el nuevo archivo de texto como " elements.txt ".

6. Registro de la malla de FE con las imágenes de Video de alta velocidad y análisis de correlación de conducta Digital imagen

1. dentro de una nueva sesión, crear vectores fila 2-elemento llamado ab1 y ab2 con los valores identificados en el paso 5.2. y px1 y px2 con los valores identificados en los pasos 5.3 escribiendo los nombres de vector sobre la línea de comandos. Guardar el espacio de trabajo como " points.mat ".
2. Ejecutar el script " convert_imagesize.m " para registrar los puntos de la malla de elementos finitos con la imagen de vídeo de alta velocidad extraídos.
3. Ejecutar el script " rrImageTrackGui.m ". La primera imagen de carga (" p01.tif ") y escriba el número del último archivo *.tiff que fue extraído como el número total de imágenes a procesar.
4. La malla creada en paso 5.7 asegurándose de que la opción de acoplamiento de carga " de archivo " y haga clic en " aceptar ". La malla de elementos finitos debe aparecer encima de la imagen ósea.
5. Especificar los valores de seguimiento basados en las siguientes pautas para el seguimiento de parámetros y haga clic en " proceder " (teniendo en cuenta que los valores de parámetro son tamaño de la imagen, la textura y la cantidad de deformación que tiene lugar y necesitan probarse cuidadosamente sobre una base caso por caso). Tamaño de núcleo
   1. uso una partida de 21. El tamaño del núcleo, n, es el tamaño of un n x ventana n (donde n es un número impar) de píxeles que se utiliza para la correlación cruzada y la determinación del vector de deformación para esa área que se utilizará para los cálculos de tensión de.
   2. Utilizar un tamaño de subpíxeles partido de 4. El tamaño de los subpíxeles, m, es el tamaño de la (2 m + 1) x (2 m + 1) ventana secundaria sobre qué subpixel deformación se calcula suponiendo que la tensión homogénea en que subventana.
   3. Utilizar un factor de suavidad a partir de 2. Factor de suavidad es la cantidad de suavizado aplicado al campo de desplazamiento en lugares seguidos antes de computación cepas.
   4. Utilizar un factor de maxMove a partir de 10. maxMove factor es el número máximo de píxeles que cualquier nodo puede estar fuera de su trayectoria en relación con su vecino ' trayectoria de s. Esto ayuda a evitar el mal seguimiento a la deformación.
   5. Utilizar un factor de smoothGrid a partir de 15. El factor smoothGrid es el tamaño de la cuadrícula (un poco más grueso que la malla de los nodos seguidos) que se utiliza para alisar.
6. Seleccione un punto de guía que tiene contraste significativo alrededor de él, evitando zonas con reflejos o visión borrosa. Compruebe este punto haciendo clic en " guía de verificación " y verificar la correlación es fuerte (por lo menos dos veces la amplitud) en comparación con sus vecinos. Haga clic en " aceptar " y " realizar seguimiento " cuando esté satisfecho. Esto puede ser un largo proceso computacional donde desplazamiento diferencial se calcula para la secuencia de imagen temporal.
7. Después de paso 6.6 ha completado, haga clic en " Animate ". Cuando haya terminado de animar, haga clic en " escribir cepas (post software de procesado) ", escriba *.exe y luego seleccione writeStrainRR_simple.exe ¹¹. Esto calculará las tensiones. Cierre la interfaz gráfica de usuario.

7. Post-procesamiento de datos de tensión y desplazamiento

1. para obtener la tensión contra el número de fotograma, ejecutar " analyzeFailurePrecursor.m " de la línea de comandos con un argumento de entrada de tamaño de paso (elegir el 20-30). Los picos que significan daño óseo, y el pico más grande corresponderá al marco cerca de falta de hueso global.
2. Para crear archivos de película de las cepas, ejecute " makeMovies.m " de la ventana de comandos con los argumentos (numVars, endstep, bandera).
   Nota: El argumento numVars se define como 1-3 desplazamientos, 4-6 ser _xx, _yy y _xy tensión componentes, 7 & 8 son los dos principales y von Mises cepa, y 9 es la energía de tensión. El tope de argumento es el último fotograma que se incluirán en la película.
   1. Establecido el argumento opcional para 1 sólo crear películas para la entidad especificada por el argumento numVars y 0 para crear películas de todas las variables.

8. Fine Tuning y refinamiento de los resultados

1. DIC si seguimiento dio pobres resultados como un campo de deformación discontinua que cae fuera supuestos mecánicos de continuo, determinar lo que está sucediendo y por qué está fallando el seguimiento. Repita 6 sección prestando especial atención al ajuste de parámetros de seguimiento. Puede ser una opción secundaria volver al software de elementos finitos y crear una malla más uniforme y posiblemente más.
Seguimiento de
2. DIC si dio resultados razonables, crear una serie más de imágenes de DIC. Con esos números de referencia de fotograma clave de paso 4.2 y la correspondiente velocidad de fotogramas del vídeo, identificar el espacio del marco para los tres regímenes diferentes de interés en la prueba de fractura con el requisito en mente que los puntos deben moverse no más de 6 píxeles entre marcos.
   Nota: Para el segmento inicial de la prueba cuando las cepas están acumulando lentamente en el fémur, el espacio de marco será relativamente grande (por ejemplo, la velocidad de desplazamiento de 100 mm/s, el espacio de marco para esta porción es 3333 μs). Para la porción intermedia de la prueba más cerca a la estructura de la fractura, la tensión está aumentando más rápidamente y más pequeño espaciamiento de marco es necesaria (1667 μs para la tasa de desplazamiento 100 mm/s). Para la parte final justo antes de la fractura, la separación del marco está en sus menores (16,7 μs en la tasa de desplazamiento 100 mm/s).
3. Opcional para documentación propósitos solamente: utilizando la información de paso 8.2, crear datos con formato tituladas las entradas en un archivo ASCII " steps.txt " que contiene una fila de datos para cada espacio del cuadro. El formato de cada fila será el marco a partir de ese régimen separado por el número de fotogramas para saltar (basado en paso 8.2) separados por un coma entonces el marco final de ese régimen (es decir, un formato de " 1:20:200 " instruir la extracción software para extraer del capítulo 1 al capítulo 200 en pasos de 20).
   1. Inmediatamente siguiente que designación, inserte una ficha y designar a la extracción de la imagen número rango (para el " 1:20:200 " ejemplo, la designación de la fila completa sería " 1:20:200 < presiona TAB > 1:11 " sin las comillas). Repita para los otros dos regímenes por lo que habrá tres filas de información en el " steps.txt " archivo. Este fichero sirve como un registro de cómo las imágenes fueron extraídas el vídeo original de alto velocidad.
4. Ejecutar el código de mov_Frames.m esta vez especificando múltiples regímenes de separación de marco en el cuadro de diálogo. Entre los números de bastidor y tamaños identificados en paso 8.2 para determinar el inicio, final y marco skip parámetros en la herramienta de paso ' cuadro de diálogo de s. Asegúrese de hacerlo en un directorio nuevo de lo contrario las imágenes originales se sobrescribirán.
5. Repetir secciones 6 y 7 y revisar los resultados de mejora. Cada fémur puede requerir diferentes iteraciones adicionales dependiendo de la naturaleza del evento de fractura, patrón moteado e iluminación. Cuando repitiendo paso 6.5, mantener la configuración de la misma salvo reducir maxMove a 6 (de 10).

Resultados

Antes del proceso speckling, el fémur se limpia del exceso de tejidos blando y grasa, y el trocánter mayor es potted en una taza de aluminio. Durante la solidificación de polimetilmetacrilato (PMMA), el hueso está envuelto en un paño impregnado de solución salino para evitar la sequedad del tejido. Una vez que se solidifica el PMMA, el hueso se limpia otra vez a la derecha antes de pulverizar (figura 1). Entonces, la superficie del hues...

Discusión

Hemos introducido un protocolo para preparar constantemente muestras femorales para la proyección de imagen de alto contraste en pruebas que fueron utilizados para estimar las distribuciones de tensión de campo completo con DIC fractura. Este protocolo garantiza la textura adecuado contraste de negro seguimiento puntos contra un fondo blanco sólido sobre la superficie del hueso. Siguiendo este protocolo, replica con éxito la estimación de las cepas utilizando el análisis de Cid de fémures de ochenta y nueve.

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Krylon plastic primer white	Krylon, Peoria, AZ, USA	N/A	Used as a base coat for a smooth white finish on bone surface
Water-based acrylic white and black paint	Plaid Enterprises (Ceramcoat), Norcross, GA, USA	N/A	Paint source for white and black colors
Mixing bowl	Not specific (generic)	N/A	Used to mix and prepare paint
Foam brush	Linzer Products, Wyandanch, NY, USA	N/A	Used to apply paint on bone surface
Toothbrush	Colgate-Palmolive, New York, NY, USA	Firm bristle	Used to apply appropriate size and distribution of speckling pattern
Hygenic Orthodontic Resin (PMMA)	Patterson Dental, St Paul, MN, USA	H02252	Controlled substance and can be purchased with proper approval
Kenmore Freezer	Sears Holdings, Hoffman Estates, IL, USA	N/A	Used to maintain a -20oC storage enviroment for bone specimens
Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride)	Baxter Healthcare, Deerfield, IL, USA	NDC 0338-0048-04	Used for keeping specimens hydrated
Scalpels and scrapers	Aspen Surgical (Bard-Parker), Caledonia, MI, USA	N/A	Used to remove soft tissue from bone specimens
Fume Hood	Hamilton Laboratory Solutions, Manitowoc, WI, USA	70532	Used for ventilation when preparing PMMA for potting of specimens
Lighting units	ARRI, Munich, Germany	N/A	Needed for illumination of target for image capture
High-speed video camera	Photron Inc., San Diego, CA, USA	Photron Fastcam APX-RS	Used to capture the high speed video recordings of the fracture events
Photron FASTCAM Imager and Viewer	Photron Inc., San Diego, CA, USA	Ver.3392(x64)	Used to record and view the high speed video recordings
Camera lens	Zeiss, Oberkochen, Germany	Zeiss Planar L4/50 ZF Lens	Needed for appropriate image resolution
ABAQUS CAE	Dassault Systemès, Waltham, MA, USA	Versions 6.13-4	Used for defining region of interest and creating finite element mesh
MATLAB	Mathworks, Natick, MA, USA	Version 2015b	Used for image processing and DIC analysis
TecPlot	TecPlot Inc., Bellevue, WA		Used for post processing of strain fields
Strain Calculator Software	Victor Barocas Research Group, University of Minnesota, Minneapolis, MN, USA	http://license.umn.edu/technologies/20130022_robust-image-correlation-based-strain-calculator-for-tissue-systems	Used to calculate strain field
mov_frames.m	Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA	N/A	Used to downsample uncompressed images from high speed video files
convert_imagesize.m	Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA	N/A	Used to register image pixel coordinates with mesh coordinates
rrImageTrackGui.m	Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA	N/A	Used to perform the image cross-correlation to obtain deformations and run Strain Calculator
analyzeFailurePrecursor.m	Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA	N/A	Used to track the peak strain components temporally
makeMovies.m	Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA	N/A	Used to create portable *.avi movies of the deformation components, strain components, principal strains, von Mises strain, and strain energy