Um método para estimar cepas Cortical de fêmur cadavérico durante fratura testes usando a correlação de imagem Digital

Resumo

Neste protocolo, estimam-se as tensões de superfície do fêmur durante a fratura testes utilizando a técnica de correlação de imagem digital. A novidade do método envolve a aplicação de um padrão de alto contraste estocástico speckle sobre a superfície do fêmur, iluminação cuidadosamente especificada, captura de vídeo de alta velocidade e análise de correlação de imagem digital para cálculos de tensão.

Resumo

Este protocolo descreve o método usando a correlação de imagem digital para estimar cortical estirpe de imagens de vídeo de alta velocidade da superfície femoral cadavérico obtidos de testes mecânicos. Esse método óptico exige uma textura de muitas marcas fiduciárias contrastantes em um fundo branco sólido precisão de controle de deformação de superfície como carga é aplicada ao modelo. Imediatamente antes do teste, a superfície de interesse na visão da câmera é pintada com um primer branco à base de água e deixa-se secar por alguns minutos. Então, uma tinta preta acabou salpicada cuidadosamente o fundo branco, com especial atenção para o mesmo tamanho e forma de gotas. Iluminação é cuidadosamente projetada e definir tais que haja contraste ideal destas marcas, minimizando reflexões através do uso de filtros. Imagens foram obtidas através de captura de vídeo de alta velocidade em até 12.000 frames/s. As imagens chaves antes de e incluindo o evento de fratura são extraídas e deformações são estimadas entre quadros sucessivos em windows cuidadosamente tamanho interrogatório sobre uma região especificada de interesse. Estas deformações são usadas para calcular a tensão de superfície temporariamente durante o ensaio de fratura. Os dados de tensão são muito útil para a identificação de iniciação da fratura no fêmur e a eventual validação de modelos de força de fratura proximal do fêmur derivado computadorizada quantitativa com base em análise por elementos finitos (FEA/QCT).

Introdução

Correlação de imagem digital (DIC) é uma imagem de pós-processamento método que é usado no atual protocolo para estimar a tensão de superfície de campo cheio de espécimes cadavéricos femoral teste de sequência de tempo imagens obtidas durante testes de mecânica da fratura. A técnica foi desenvolvida e aplicada na análise de estresse experimental na década de 1980 e tem experimentado um rápido aumento no uso em anos recentes,^1,2,3. Tem várias vantagens sobre as abordagens mais tradicionais de extensómetros de montagem em uma estrutura de incluindo maior distribuição espacial do campo de tensão, mais fino calibre comprimentos através de câmera maior resolução e evitando problemas com calibre de tensão cola de adesão ou conformidade. Uma grande vantagem do DIC para tecidos biológicos, tais como o osso, é que pode ser aplicado para geometrias irregulares é composto por propriedades materiais altamente heterogêneo^4,5. Sua principal desvantagem sobre os métodos de aquisição tradicional estirpe é que necessita de câmeras de vídeo de alta velocidade caro de resolução suficiente para a medição da região de interesse para obter suficiente espacial e temporal de amostragem de precisão estimativa de campos de tensão.

A principal aplicação dos campos de tensão temporal obtidos de fratura óssea análise DIC é validar as estimativas de estirpe em modelos QCT/FEA de resistência femoral⁵. Essa validação é o foco de muitos grupos de pesquisa ortopédica que utilizam predominantemente remotas medições de força e deslocamento de células de carga e Transdutores de deslocamento a^6,7,8. Além disso, análise de imagem pós-fratura do padrão da fratura foi combinada com estas medições remotas como meios adicionais de validação de modelo⁹. Mais recentemente, o método DIC foi aplicado para validar um modelo FEA da fratura e propagação no fêmur proximal¹⁰de crack. Utilizando a cepa correlação entre modelos e experiências, ainda mais confiança na validade de modelos computacionais dos fêmures proximais serão obtidos e avançar ainda mais o uso de mais perto de clínicas de método diagnóstico QCT/FEA.

Este trabalho explica um protocolo detalhado para incorporar as medidas necessárias para a análise DIC em testes de fratura dos fêmures proximais. O procedimento incluiu as etapas de preparação de osso de pulverização uma tinta branca na superfície do osso e depois manchas manchas pretas no branco da superfície do osso, métodos de obtenção de imagens com resolução espacial e temporal suficiente usando alta velocidade vídeo câmeras e o processo e as ferramentas que usamos para computação campos de tensão por essas imagens. Também explicamos várias advertências que podem afetar a qualidade das medições.

Protocolo

todos os experimentos foram realizados com a aprovação do Conselho de revisão institucional. As amostras foram obtidas em laboratórios de pesquisa anatômica em colaboração.

1. preparar as amostras para teste

1. descongelar os fêmures na RT para 24 h.
2. Quando o fêmur está na fila para o teste, remova qualquer envoltório que foi aplicado antes da congelação e limpe o fêmur com uma toalha seca para remover qualquer umidade remanescente, os depósitos de gordura ou tecidos moles. Pote grande trocanter em um copo de alumínio pré-fabricado com cimento ósseo.
3. Usando uma caixa para conter as partículas tanto quanto possíveis, pulverize o osso com primer de plástico branco para atingir uma camada fina e uniforme. Tome cuidado para cobrir o osso com uma camada uniforme de tinta para melhor contraste e forte aderência à superfície de fêmur.
   Nota: A espessura não foi medida.
4. Deixe a tinta seca durante pelo menos 5 min. Isto é importante para evitar que a mistura não intencional com gotículas salpicadas na secção 2.
5. Embrulhar o osso com pano molhado para evitar o ressecamento do tecido.

2. Processo de manchas

1. aproximadamente, adicionar 1 parte de água para 2 partes de tinta para melhor manchas no osso. Adicionar água aos poucos (para uma melhor mistura) para a tinta acrílica para fazer uma cor preta.
2. Mergulhe uma escova de dentes limpa em uma paleta de tinta preta para absorver a cor e apertar o pincel para passar o revestimento branco com salpicos pretos.
3. Deixe a tinta secar por 5 min antes de prosseguir.

3. Aquisição de imagem

1. montar o fêmur salpicado preparado na máquina de teste mecânico inserindo a extremidade distal em vaso a fixação e aperte os dois parafusos para fixar a amostra.
2. Ajustar os dois refletores de luz de alta intensidade descarga, tal que a superfície do fêmur alcança a iluminação mais alta possível, evitando reflexos na imagem da câmera. Avançar rapidamente com as seguintes etapas na seção 3 para evitar um aquecimento indesejado do espécime de radiação luminosa antes o teste
3. Reduzir a abertura da frente e costas Ver os lentes de câmera de vídeo de alta velocidade tal que toda a região de interesse do fêmur no campo de visão está em foco.
4. Reajustar os reflectores para melhorar ainda mais a iluminação enquanto reduz o ofuscamento.
5. Definir o software de aquisição de imagem para capturar a 6000 quadros/s em uma resolução de 1024 x 512 pixels. Defina o número total de quadros a serem adquiridas após o sinal de gatilho é recebido para 12288. Braço de software de vídeo de alta velocidade para aquisição de imagem quando o sinal de gatilho é recebido do sistema de teste. Quando o teste estiver concluído, o vídeo reside na câmara ' memória intermédia de s.
6. Usando o software de aquisição de imagem, salvar o vídeo para o disco, especificando um nome de arquivo e caminho desejado e clicando em " salvar ". Esteja preparado para esperar entre 5-40 min para esse processo seja concluído, dependendo do número de quadros para ser salvo.

4. Preparação de imagem

1. criar diretórios de trabalho separados para vistas frontais e traseiras do fêmur.
2. Usar o software de análise de vídeo para abrir a gravação de vídeo de alta velocidade e anote os números de referência de quadro-chave em 1) o início do movimento de atuador de quadro de carga e quadro 2) imediatamente após o evento fratura.
3. Para diminuir a resolução uma sequência de imagens TIFF sem compressão de vídeo de alta velocidade, abra e execute o " mov_frames.m " script no diretório de trabalho para o lado do fêmur pertinentes.
   1. Na caixa de diálogo resultante, digite o número final de quadro identificado no passo 4.2 com um tamanho de passo de 25-40. Clique " extrair quadros " e inspecionar o diretório de trabalho para garantir que os arquivos de *.tiff foram extraídos corretamente.

5. Criação de malha de elemento finito

1. usar um externo elementos finitos articulada programa para criar a malha de elementos finitos. Calcule tensões 2D dos vetores deslocamento diferenciais com o método de elementos finitos. Importar a imagem inicial *.tiff extraído para o pre-processador de software de elementos finitos como um modelo para criação de spline.
2. Encontrar dois fácil identificar pontos fiduciários na imagem que estão em cantos opostos do quadro e gravar suas coordenadas X e Y (estas serem usadas no passo 6.1). Estas coordenadas são arbitrárias, com base na Convenção o software FEA utiliza para importar a imagem *.tiff. As coordenadas destes pontos serão usadas para registrar os nós da malha de elementos finitos com os correspondentes pixels das imagens de vídeo em passo 6.2.
3. Em uma software de edição de imagem, abra a mesma imagem que foi importada para o pré-processador de software de elementos finitos e registre os valores de direção de X e Y dos pixels associados com os pontos identificados no passo 5.2. Estas eventualmente serão usadas na etapa 6.1.
4. No " Sketch " módulo do elemento finito articulada programa, use a ferramenta spline para delinear uma seção fechada, que representa a região de interesse. Verifique se a região não é muito grande, tal que a superfície do osso iria passar fora o prévio da região para fraturar-se devido à rotação.
5. Preparar a seção fechada criada no passo 5.4 para engrenagem semeando as bordas com um tamanho de malha global de 1 mm sob o menu " semente parte instância ".
6. Sob " atribuir malha controles ", definir a forma de elemento para o quadrilátero.
7. Malha seção fechada.
8. Exportação a malha em um arquivo ASCII do banco de dados do engranzamento, consistindo de coordenadas nodais e definições de elemento.
9. Com elementos finitos entrada arquivo resultante aberto em um editor de texto, copie o bloco de nó que contém números de nó e coordenadas em um novo arquivo de texto e salve como " nodes.txt ". Repita para o bloco do elemento e salvar o novo arquivo de texto como " elements.txt ".

6. Registrar a malha de FE com as imagens de vídeo de alta velocidade e realizar análise de correlação de imagem Digital

1. dentro de uma nova sessão, criar vetores de linha 2-elemento chamado ab1 e ab2, com os valores identificados no passo 5.2. e px1 e px2 com os valores identificados nas etapas 5.3 digitando os nomes de vetor na linha de comando. Salvar o espaço de trabalho como " points.mat ".
2. Executar o script " convert_imagesize.m " para registrar os pontos da malha de elementos finitos com a imagem de vídeo extraído de alta velocidade.
3. Executar o script " rrImageTrackGui.m ". Carregar a primeira imagem (" p01.tif ") e digite o número do último *.tiff arquivo que foi extraído como o número total de imagens para processar.
4. Carregar a malha criada no passo 5.7, certificando-se que a opção de malha é definida como " ler do arquivo " e clique em " aceitar ". A malha de elementos finitos deve aparecer sobre a imagem do osso.
5. Especificar os valores de rastreamento baseados nas seguintes orientações para parâmetros de controle e clique em " Proceed " (mantendo em mente que os valores de parâmetro são o tamanho da imagem, a textura e a quantidade de deformação ocorrendo e precisam ser testados cuidadosamente em uma base caso a caso). Tamanho de Kernel
   1. utilização de partida de 21. O tamanho do Kernel, n, é o tamanho of um n x janela n (onde n é um número ímpar) de pixels que é usado para a correlação cruzada e a determinação do vetor para a área que será usada para cálculos de tensão deformação.
   2. Usar um tamanho inicial de Subpixel de 4. O tamanho de Subpixel, m, é o tamanho do (2 m + 1) x (2 m + 1) sub janela sobre qual subpixel deformação é calculada pela assunção de estirpe homogênea naquela janela sub.
   3. Usar um fator de suavidade inicial de 2. Fator de suavidade é a quantidade de suavização aplicada ao campo de deslocamento em locais controlados antes de computar cepas.
   4. Usar um fator de maxMove inicial de 10. fator de maxMove é o número máximo de pixels que qualquer nó pode ser longe de sua trajetória em relação ao seu vizinho ' trajetória de s. Isso ajuda a evitar mal de rastreamento à deformação.
   5. Usar um fator de smoothGrid partida de 15. O fator de smoothGrid é o tamanho da grade (um pouco mais grossa do que a malha de nós controlada) que é usada para a suavização.
6. Selecione um ponto de guia que tem contraste significativo em torno dele, evitando áreas com qualquer brilho ou manchas. Verifique este ponto clicando " Guia de seleção " e verificar o pico de correlação é forte (pelo menos duas vezes a amplitude) em comparação com seus vizinhos. Clique " aceitar " e " executar rastreamento " quando satisfeito. Isso pode ser um longo processo computacional, onde o deslocamento diferencial é calculado para a sequência de imagem temporal.
7. Depois passo 6.6 foi concluída, clique em " Animate ". Quando animar tiver terminado, clique " escrever cepas (software de pós-processamento) ", digite *.exe e em seguida, selecione writeStrainRR_simple.exe ¹¹. Isto irá calcular as tensões. Feche o GUI.

7. Pós-processamento dos dados de tensão e deslocamento

1. para obter a tensão vs número de quadro, execute " analyzeFailurePrecursor.m " na linha de comando com um argumento de entrada do tamanho do passo (escolha de 20-30). Os picos irão significar dano ósseo, e o maior pico irá corresponder ao quadro perto falha óssea global.
2. Para criar arquivos de filme das cepas, execute " makeMovies.m " na janela de comando com os argumentos (numVars, endstep, bandeira).
   Nota: O argumento numVars é definido como sendo de 1-3 deslocamentos, 4-6 ser _xx, _yy e componentes de tensão de _xy, 7 & 8 são os dois principais e von Mises estirpe, e 9 é a energia de deformação. Nal o argumento é o último quadro para ser incluída no filme.
   1. Definir o sinalizador de argumento opcional para 1 só criar filmes para a entidade especificado para o argumento de numVars e 0 para criar filmes de todas as variáveis.

8. Fine Tuning e refinamento de resultados

1. DIC se rastreamento deu maus resultados como um campo de tensão descontínuos que cai fora pressupostos de mecânica do contínuo, determinar o que está acontecendo e por que o rastreamento está falhando. Repita 6 seção especial atenção para o ajuste dos parâmetros de controle. Uma opção secundária pode ser retornar para o software de elementos finitos e criar uma malha mais uniforme e possivelmente melhor.
Rastreamento de
2. DIC se deu resultados razoáveis, criar uma série de melhor de imagens para DIC. Usando os números de referência de quadro-chave da etapa 4.2 e a correspondente taxa de quadros do vídeo, identificar o espaçamento de quadro para três diferentes regimes de interesse no teste de fratura com a exigência em mente que os pontos devem estar se movendo não superior a 6 pixels entre frames.
   Nota: Para o segmento inicial do teste quando as tensões estão construindo lentamente no fêmur, o espaçamento de quadro será relativamente grande (por exemplo, para a taxa de deslocamento de 100 mm/s, o espaçamento de moldura para esta parte é 3333 μs). Para a parte intermediária do teste mais perto para o quadro de fratura, estirpe está a aumentar mais rapidamente e menor espaçamento de quadro é necessária (1667 μs para a taxa de deslocamento 100 mm/s). Para a parcela final antes da fratura, o espaçamento de quadro está no seus menores (16,7 μs na taxa de deslocamento de 100 mm/s).
3. Fins opcional para documentação: usando as informações do passo 8.2, criar dados formatados, entradas em um arquivo ASCII intituladas " steps.txt " contendo uma linha de dados para cada espaçamento de quadro. O formato de cada linha será o quadro inicial daquele regime separado pelo número de quadros para pular (com base no passo 8.2) separados por dois-pontos em seguida o quadro final daquele regime (ou seja, um formato de " 1:20:200 " que instruir a extração software para extrair do quadro 1 quadro 200 passos de 20).
   1. Imediatamente que a designação, inserir uma tabulação e designar a extração de imagem número um intervalo (para o " 1:20:200 " exemplo, a designação de linha completa seria " 1:20:200 < Guia de imprensa > 01:11 " sem as aspas). Repita para os outros dois teste regimes assim haverá três linhas de informação na " steps.txt " arquivo. Esse arquivo serve como um registro de como as imagens foram extraídas do vídeo de alta velocidade original.
4. Executar o código de mov_Frames.m desta vez especificando vários regimes de espaçamento de moldura na caixa de diálogo. Introduza os números de quadro e passo tamanhos identificados no passo 8.2 para determinar o início, término e parâmetros de ignorar quadro esperados na ferramenta ' caixa de diálogo. Certifique-se de fazer isso em um novo diretório caso contrário as imagens originais será substituído.
5. Repetir seções 6 e 7 e rever os resultados de melhoria. Cada fêmur pode exigir diferentes iterações adicionais, dependendo da natureza do evento de fratura, teste padrão do salpico e iluminação. Quando repetir passo 6.5, mantenha as configurações iguais exceto reduzir maxMove ao 6 (de 10).

Resultados

Antes do processo de salpicar, o fêmur é limpo de tecidos macios e gordo em excesso, e o grande trocanter for encaçapado em um copo de alumínio. Durante a solidificação de polimetilmetacrilato (PMMA), o osso é envolto em um pano encharcado soro fisiológico para evitar ressecamento do tecido. Uma vez que o PMMA é solidificado, o osso está limpo novamente bem diante de pulverização (Figura 1). Em seguida, a superfície do osso é pu...

Discussão

Introduzimos um protocolo para preparar consistentemente femorais amostras de imagem de alto contraste durante a fratura testes que foram então usados para estimar as distribuições de estirpe de campo completo com DIC. Este protocolo garantiu textura adequado contraste de preto rastreamento speckles contra um fundo branco sólido na superfície do osso. Na sequência deste protocolo, replicamos com êxito a estimativa de cepas utilizando análise de DIC para os fêmures de oitenta e nove.

D...

Materiais

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