방법 골절 디지털 이미지 상관 관계를 사용 하 여 테스트 하는 동안 싱가포르로 대 퇴 골 피 질 긴장을 예상

요약

이 프로토콜에서 대 퇴 골 표면 긴장 골절 디지털 이미지 상호 관계 기술을 사용 하 여 테스트 하는 동안에 견적 된다. 방법의 참신 대 퇴 골 표면, 신중 하 게 지정 된 조명, 고속 비디오 캡처 및 스트레인 계산에 대 한 디지털 이미지 상호 관계 분석에 높은 대비 확률적 얼룩 패턴의 응용 프로그램을 포함 한다.

초록

이 프로토콜 디지털 이미지 상관 관계를 사용 하 여 기계적 테스트에서 얻은 싱가포르로 퇴 표면의 고속 비디오 이미지에서 대뇌 피 질의 변형 추정 하는 방법을 설명 합니다. 이 광학 방법 로드는 견본에 적용 되어 단단한 흰색 배경에 많은 대조 신탁 표시의 질감을 표면 변형의 정확한 추적을 위해 필요 합니다. 테스트, 직전 카메라 보기의 표면 수성 백색 뇌관으로 그린 고 몇 분 동안 건조 수 있었습니다. 그런 다음 검은 페인트가 끝났습니다 얼룩 덜 룩 한 신중 하 게도 크기와 작은 물방울의 모양에 대 한 특별 한 고려 사항 가진 백색 배경. 조명은 신중 하 게 설계 하 고 필터를 사용 하 여 반사를 최소화 하면서 이러한 표시의 최적의 대비 되도록 설정 합니다. 이미지는 최대 12, 000 프레임/s 고속 비디오 캡처를 통해 얻은 했다. 이전 및 골절 이벤트를 포함 하 여 주요 이미지 추출 되 고 변형 관심의 지정된 된 영역을 통해 신중 하 게 크기의 심문 윈도에서 연속 프레임 사이 견적 된다. 이러한 변형 다음 골절 테스트 기간 동안 일시적으로 표면 긴장을 계산 하는 데 사용 됩니다. 스트레인 데이터 골절, 대 퇴 골 내 개시를 식별 하는 데와 근 위 대 퇴 골 골절 강도 모델 양적 단층 기반 유한 요소 분석 (QCT/FEA)에서 파생 된의 최종 유효성 검사에 대 한 매우 유용 합니다.

서문

디지털 이미지 상호 관계 (DIC) 후 현재 프로토콜에 기계 골절 테스트 기간 동안 얻은 시간 시퀀스 이미지에서 싱가포르로 퇴 테스트 견본의 전체 필드 표면 긴장을 추정 하는 데 사용 되는 메서드를 처리 하는 이미지입니다. 기술을 처음 개발 되었다 1980 년대에 실험적 스트레스 분석에 적용 하 고 최근 몇 년 동안^1,2,3사용의 급속 한 증가 경험 했다. 그것은 몇 가지 주요 이점을 스트레인 필드의 증가 공간 배급을 포함 하 여 구조에 스트레인 게이지를 장착의 더 전통적인 방법, 세밀 하 게 통해 증가 카메라 해상도 및 스트레인 게이지와 함께 문제를 피할 길이 측정 접착제 접착 또는 준수입니다. 생물 조직, 뼈, 등에 대 한 DIC의 주요 이점은 이다 매우 이질적인 소재 속성^4,5의 구성 된 불규칙 한 형상에 적용할 수 있습니다. 전통적인 스트레인 수집 방법의 주요 결점은 충분 한 공간 및 시간 샘플링을 정확 하 게 달성 하는 관심의 영역의 측정에 대 한 충분 한 해상도의 비싼 고속 비디오 카메라를 요구 한다 스트레인 필드 예상.

대 퇴 골 강도⁵의 QCT/FEA 모델에 스트레인 의견 확인 하 뼈 골절 DIC는 분석에서에서 얻은 시간 변형 필드의 기본 응용 프로그램이입니다. 이러한 유효성 검사는 주로 힘과 변위 로드 셀 및 변위 변환기^6,7,8에서 원격 측정을 활용 하는 많은 정형 외과 연구 그룹의 초점 이다. 또한, 골절 패턴의 후 골절 이미지 분석 모델 유효성 검사⁹의 추가 수단으로 이러한 원격 측정으로 결합 되었습니다. 더 최근에, DIC 메서드는 골절의 FEA 모델의 유효성을 검사 하 고 근 위 대 퇴 골¹⁰전파 균열에 적용 되었습니다. 모델과 실험 사이 긴장에 상관 관계를 이용 하 여 인접 femora의 계산 모델의 타당성에 더 많은 자신감 얻을 것 이다 그리고 더 QCT/FEA 진단 방법 임상 가까이 사용을 사전.

이 작품 골절 근 위 femora의 테스트에 DIC 분석에 대 한 필요한 단계를 통합 하는 자세한 프로토콜에 설명 합니다. 절차는 뼈 표면에 흰색 페인트를 분사 하 고 뼈의 말린된 흰색 표면에 검은 반점이 다음 speckling의 뼈 준비 단계를 포함, 높은 사용 하 여 충분 한 공간 및 시간 해상도 가진 이미지를 얻기의 방법을 속도 비디오 카메라, 프로세스 그리고 우리는 이러한 이미지에서 스트레인 필드에 사용 되는 도구. 우리는 또한 측정의 품질에 영향을 미칠 수 있습니다 몇 가지 주의 사항을 설명 했다.

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프로토콜

모든 실험 기관 검토 위원회 승인을 실시 했다. 샘플 공동에서 해부학 연구소에서 입수 했다.

1. 테스트를 위해 준비 하 고 표본

24 h. 위해 RT에서 femora 해 동

1. 때 대 퇴 골은 테스트를 위해 큐에 동결 전에 적용 된 모든 포장을 제거 하 고 남은 수 분, 지방 예금 또는 부드러운 조직 제거를 마른 수건으로 대 퇴 골을 닦아냅니다. 뼈 시멘트와 조립식된 알루미늄 컵으로 더 중대 한 trochanter 냄비.
2. 흰색 플라스틱 뇌관 얇은, 균일 코팅을 달성 하기 위해 뼈 스프레이 가능한 만큼, 입자를 포함 하는 상자를 사용 하 여. 최적의 대비 및 대 퇴 골 표면에 강한 접착에 대 한 페인트의 한 균일 한 층으로 뼈를 돌.
   참고: 두께 측정 되지 했다.
3. 하자 페인트 적어도 5 분 동안 건조. 이것은 제 2에 얼룩 덜 룩 한 방울과 의도 하지 않은 혼합을 피하기 위해 중요 하다.
4. 뼈 조직의 건조를 피하기 위해 젖은 천으로 포장.

2. 프로세스 speckling

1. 약, 뼈에 좋은 speckling를 위한 페인트의 2 부품 물 1 일부 추가. 검은 색을 만들기 위해 아크릴 페인트에 점차적으로 (에 대 한 더 나은 혼합) 물을 추가.
2. 색깔을 흡수 하 고 흰색 코팅에 검은 speckles을 브러시 터치에 블랙 페인트의 팔레트에서 깨끗 한 칫 솔을 찍어.
3. 하자 진행 하기 전에 5 분 동안 건조 페인트.

3. 이미지 수집

1. 정착 물에 화분된 선단부를 삽입 하 여 기계적 테스트 컴퓨터에 준비 된 얼룩 덜 룩 한 대 퇴 골을 탑재 하 고 표본을 확보 하 여 두 개의 나사를 조입니다.
2. 는 카메라 이미지에 반사를 피하 면 서 가능한 가장 높은 조명을 달성 하는 대 퇴 골 표면 같은 두 고 강도 출력 빛 반사 경을 조정 합니다. 다음 단계는 테스트 전에 가벼운 방사선에서 견본의 원치 않는 열을 피하기 위해 제 3에 신속 하 게 진행
3. 앞의 조리개를 줄이고 다시 보기 고속 비디오 카메라 렌즈는 전체 보기의 필드에 대 퇴 골의 관심 영역에 초점.
4. 더 섬광을 줄이면서 조명 개선에 빛 반사를 조정.
5. 6000 프레임/s 1024 x 512 픽셀의 해상도 캡처 이미지 수집 소프트웨어를 설정 합니다. 12288에 트리거 신호를 받은 후 취득 프레임의 총 수를 설정 합니다. 테스트 시스템에서 트리거 신호를 수신할 때 이미지 수집을 위한 고속 비디오 소프트웨어를 팔. 비디오 카메라에 있는 테스트 완료 되 면 ' s 버퍼 메모리.
6. 원하는 경로 파일 이름을 지정 하 고 클릭 하 여 비디오를 디스크에 저장 이미지 수집 소프트웨어를 사용 하 여 " 저장 ". 저장 프레임 수에 따라 완료 하는 데이 과정에 대 한 5-40 분 사이 대기 준비.

4. 이미지 준비

1. 대 퇴 골의 전면 및 후면 보기에 대 한 별도 작업 디렉터리를 만들기.
2. 비디오 분석 소프트웨어를 사용 하 여 적절 한 고속 비디오 녹화를 열고 로드 프레임 액추에이터 움직임, 고 2)는 프레임의 시작 1) 키 프레임 참조 번호를 즉시 참고 후 골절 이벤트.
3. 다운 샘플링 고속 비디오에서 압축 되지 않은 TIFF 이미지 시퀀스, 열고 실행 하는 " mov_frames.m " 관련 대 퇴 골 쪽에 대 한 작업 디렉터리에 스크립트.
   1. 결과 대화 상자에서 25-40의 스텝 크기와 단계 4.2에서 식별 끝 프레임 번호를 입력. 클릭 " 추출 프레임 " *.tiff 파일 올바르게 추출 된 보장 하기 위해 작업 디렉터리를 검사 하 고.

5. 유한 요소 메쉬 생성

유한 요소 메쉬를 만드는 프로그램

1. 사용 외부는 유한 요소 메쉬. 유한 요소 방법으로 차동 변위 벡터에서 2D 긴장을 계산 합니다. 스플라인 창조에 대 한 템플릿으로 유한 요소 소프트웨어 사전 프로세서로 초기 추출 된 *.tiff 이미지를 가져옵니다.
2. 두 프레임의 반대 모서리에 있는 이미지의 수 탁자 포인트를 식별 하 고 기록 (이들은 결국 사용 단계 6.1에서) 그들의 X 및 Y 좌표를 쉽게 찾을. 이 좌표는 임의 FEA 소프트웨어 가져올 *.tiff 이미지를 사용 하 여 규칙에 따라. 이 점의 좌표 단계 6.2에서 비디오 이미지의 해당 픽셀의 유한 요소 메쉬 노드를 등록 하는 데 사용 됩니다.
3. 이미지 편집 소프트웨어에서에서 유한 요소 소프트웨어 전처리기에 가져온 동일한 이미지 열고 단계 5.2에서에서 식별 포인트와 관련 된 픽셀의 X 및 Y 방향 값을 기록. 이들은 결국 단계 6.1에서 사용 합니다.
4. 에는 " 스케치 " 유한 요소 프로그램을 meshing의 모듈 스플라인 도구를 사용 하 여 관심 영역을 나타내는 폐쇄 섹션 개요. 확인 지역 너무 큰 뼈의 표면 회전으로 인해 골절을 지역 사전에 밖으로 이동 되도록.
5. 글로벌 메쉬 크기 메뉴에서 1 m m의 가장자리를 시드 여 meshing 단계 5.4에서 만든 닫힌된 단면을 준비 " 씨 부품 인스턴스 ".
6. 아래 " 할당 메쉬 컨트롤 ", 사각형 요소 모양 설정.
7. 닫힌된 단면을 메쉬.
8. 꾸벅꾸벅 졸 기 좌표 및 요소 정의의 구성 된 메쉬 데이터베이스의 ASCII 파일로 메시를 익스포트합니다.
9. 결과 유한 요소 입력 파일 텍스트 편집기에서 열려, 노드 번호 및 새 텍스트 파일에 좌표를 포함 하는 노드 블록을 복사 하 고 다른 이름으로 저장 " nodes.txt ". 요소 블록 반복 하 고 새 텍스트 파일을 저장 " elements.txt ".

6. 높은 속도 비디오 이미지와 디지털 이미지 상호 관계 분석 실시 FE 메쉬 등록

1. 새 세션 2-요소 행 벡터 ab1, ab2 단계 5.2에서 확인 된 값을 라는 만듭니다., px1 그리고 px2와 함께 그 벡터 이름을 명령줄에 입력 하 여 단계 5.3에 식별 하는 값입니다. 작업 영역으로 저장 " points.mat ".
2. 스크립트 실행 " convert_imagesize.m " 추출 된 고속 비디오 이미지에서 유한 요소 메쉬 포인트 등록.
3. 스크립트 실행 " rrImageTrackGui.m ". 첫 번째 이미지 로드 (" p01.tif ") 이미지 처리의 총 수로 추출 된 마지막 *.tiff 파일의 번호를 입력 하십시오.
4. 로드 메쉬 메쉬 옵션은 설정 하 여 단계 5.7에서 만든 " 파일에서 읽는 " 클릭 하 고 " 허용 ". 유한 요소 메쉬 뼈 이미지 위에 나타납니다.
5. 매개 변수를 추적 하는 것에 대 한 다음 지침에 따라 추적 값을 지정 하 고 클릭 " 진행 " (유지 매개 변수 값은 이미지 크기, 텍스처 및 변형 일어나, 양의 마음 하 고 테스트 해야 신중 하 게 경우에-의해-사건을 기준으로)에. 21의
   1. 사용 시작 커널 크기입니다. 커널 크기, n, 이다 크기 of는 n x n (여기서 n은 홀수) 픽셀의 교차 상관 및 스트레인 계산에 사용 될 그 지역에 대 한 변형 벡터의 결정에 사용 되는.
   2. 4의 시작 하위 픽셀 크기를 사용합니다. 픽셀 크기, m, 그 하위 창에는 (2 m + 1) x (2 m + 1) 서브는 서브 픽셀 이상의 변형 균질 스트레인을 가정 하 여 계산의 크기는.
   3. 2 시작 부드럽게 배를 사용합니다. 부드럽게 요소 긴장을 계산 하기 전에 추적된 위치에서 변위 필드에 적용 하는 스무 딩의 금액입니다.
   4. 10의 시작 maxMove 요소를 사용 하 여. maxMove 요소 노드 이웃 기준 그것의 궤도에서 수 있는 픽셀의 최대 수는 ' s 궤도. 이 심하게 변형에 추적 하는 것을 방지할 수.
   5. 15의 시작 smoothGrid 요소를 사용합니다. SmoothGrid 요소는 다듬기에 사용 되는 (추적 노드 메쉬 보다 약간 낮은) 격자의 크기 이다.
6. 섬광 또는 흐림의 영역을 피하는 동안 주위 중요 한 대조는 가이드 포인트를 선택. 클릭 하 여이 확인 " 체크 가이드 " 강한 상관 피크를 확인 하 고 (적어도 두 번 진폭) 그것의 이웃 사람에 비해. 클릭 " 허용 " 및 " 추적 수행 " 만족. 이 차동 변위 임시 이미지 시퀀스에 대 한 계산 됩니다 긴 계산 프로세스가 될 수 있습니다.
7. 단계 6.6 후 완료를 클릭 " 애니메이션 ". 애니메이션 완료 되 면, 클릭 " 긴장 (포스트 프로세싱 소프트웨어) 쓰기 ", *.exe를 입력 한 다음 writeStrainRR_simple.exe ¹¹을 선택. 이 긴장을 계산 합니다. GUI를 닫습니다.

7. 변위 및 변형 데이터의 후 처리

실행 변형 프레임 번호 대를

" analyzeFailurePrecursor.m " 스텝 크기의 입력 인수로 명령줄에서 (20-30을 선택). 봉우리 뼈 손상을 의미 합니다 그리고 가장 큰 피크 글로벌 뼈 실패에 가까운 프레임에 해당 합니다.
1. 긴장의 동영상 파일을 만들려면 실행 " makeMovies.m " (numVars, endstep, 플래그) 인수 명령 창에서.
   참고: 인수 numVars는 1-3으로 정의 되어 변위, 4-6 되 고 _xx, _yy 및 _xy 스트레인 구성 요소, 7 & 8 두 원금과 폰 Mises 긴장, 그리고 9 스트레인 에너지. 인수 endstop은 영화에 포함 시킬 마지막 프레임.
   1. 1만 numVars 인수에 지정 된 엔터티에 대 한 영화를 만들 모든 변수의 영화를 만들려고 0에 선택적 인수 플래그 설정.

8. 조정 및 결과의 구체화

1. 경우 DIC 추적 외부 연속체 역학 가정에 있는 불연속 변형 필드 같은 가난한 결과 했다, 무슨 일이 일어나 고 추적 실패 하는 이유를 확인. 추적 매개 변수 조정에 특히 주의 지불 하는 섹션 6을 반복 합니다. 보조 옵션 유한 요소 소프트웨어에 돌아와서 더 균일 하 고 미세한 가능성이 메쉬를 작성 하는 것.
2. 경우 DIC 추적 했다 합리적인 결과, DIC에 대 한 미세한 일련의 이미지를 만듭니다. 포인트 6 더 이상 이동 해야 하는 마음에 요구와 골절 테스트에 관심의 3 개의 다른 정권에 대 한 프레임 간격을 식별 단계 4.2 및 비디오의 해당 프레임 속도에서 그 키 프레임 참조 번호를 사용 하 여 프레임 사이의 픽셀.
   참고: 테스트의 초기 세그먼트에 대 한 긴장은 건물 천천히 대 퇴 골 때 프레임 간격 것입니다 비교적 큰 (예, 100 m m/s의 변위 속도 대 한이 부분에 대 한 프레임 간격은 3333 µs). 테스트 가까이 골절 프레임의 중간 부분에 대 한 긴장은 더 급속 하 게 증가 이며 작은 프레임 간격 필요한 (1667 μ s 100 m m/s의 변위 속도 대 한). 골절 직전 마지막 부분에 대 한 프레임 간격의 작은 (16.7 μ s 100 m m/s 변위 속도)에.
3. 설명서에 대 한 선택만 목적: 서식이 지정 된 데이터를 ASCII 파일에서 항목 제목 만들기 단계 8.2에서 정보를 사용 하 여 " steps.txt " 각 프레임 간격에 대 한 데이터 행을 포함 하. 각 행의 형식 (단계 8.2에 따라) 건너뛸 프레임 수를 구분 하는 그 정권의 시작 프레임 콜론으로 구분 그 정권의 마지막 프레임 다음 될 것입니다 (즉, 형식 a " 1:20:200 " 추출 하도록 지시할 것입니다 추출 하는 소프트웨어 프레임 20의 단계에서 프레임 200 1).
   1. 즉시 다음 지정, 탭을 삽입 하 고 이미지 추출 지정 번호 범위 (대 한는 " 1:20:200 " 예를 들어, 전체 행 지정 될 " 1:20:200 < 보도 탭 > 1시 11분 " 인용 없이). 세 행의 정보에 있을 것입니다 그래서 다른 두 정권 테스트 반복은 " steps.txt " 파일. 어떻게 이미지 원래 고속 비디오에서 추출 된에 대 한 기록으로이 파일은.
4. 런타임에 mov_Frames.m 코드 다시이 대화 상자에서 여러 프레임 간격 정권 지정 하. 프레임 번호를 입력 하 고 단계 시작, 끝, 및 프레임 건너뛰기 매개 변수 도구에서 예상을 확인 하려면 단계 8.2에서 확인 된 크기 ' s 대화 상자. 이렇게 하려면 새 디렉터리에 그렇지 않으면 원본 이미지 확인을 덮어쓰게 됩니다.
5. 섹션 6과 7을 반복 하 고 개선에 대 한 결과 검토. 각 대 퇴 골 골절 이벤트, 얼룩 무늬, 및 점화의 성격에 따라 다른 추가 반복 해야 합니다. 반복 단계 6.5 때 동일 하 게 유지 설정을 제외 하 고 6에 maxMove (10)를 줄일.

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결과

Speckling 과정을 하기 전에 퇴 과잉 지방과 부드러운 조직에서 청소 하 고 더 중대 한 trochanter 알루미늄 컵에 화분. Polymethylmethacrylate (PMMA)의 응고, 동안 뼈 조직의 건조를 피하기 위해 염 분 젖은 헝겊에 싸여 있다. 뼈 청소 PMMA 경화 되 면 (그림 1)를분사 하기 전에 다시 마우스 오른쪽. 다음, 뼈 표면 살포 또는 물을 기반 플라스틱 화이트 색?...

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토론

우리는 지속적으로 테스트는 다음 DIC 전체 필드 스트레인 분포를 추정 하는 데 사용 했다 골절 중 고대비 이미징 대 퇴 샘플을 준비 하는 프로토콜을 도입. 이 프로토콜 뼈 표면에 단단한 흰색 배경에 대해 speckles을 추적 하는 블랙의 적절 한 명암 질감을 보장 합니다. 이 프로토콜에 따라 우리는 성공적으로 일 femora DIC 분석을 사용 하 여 긴장의 추정을 복제.

DIC는 고속 비디오 ...

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자료

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