Метод оценки корковых штаммов трупной бедра во время разрушения, тестирование с помощью цифровых изображений корреляции

Резюме

В этом протоколе штаммы поверхности бедра оцениваются во время разрушения тестирования по методике корреляции цифрового изображения. Новизна метода предполагает применение высокой контрастностью стохастических спекл узор на поверхности бедра, тщательно указанного освещения, высокая скорость захвата видео и цифровых изображений корреляционного анализа для штамма расчетов.

Аннотация

Этот протокол описывает метод с использованием цифрового изображения корреляции для оценки корковых штамм от высокой скорости видео изображения поверхности трупной бедренной кости, полученные от механических испытаний. Этот оптический метод требует текстуру многих контрастные фидуциарных знаков на сплошном белом фоне для точного отслеживания поверхности деформации как загрузка применяется для образца. Непосредственно перед испытанием, поверхность интерес в представлении камеры окрашены с белая грунтовка на водной основе и возможность высохнуть в течение нескольких минут. Затем чёрная краска крапинами тщательно на белом фоне с уделением особого внимания даже размер и форму капель. Освещение тщательно спроектирован и установить таким образом, что есть оптимальный контраст этих марок при сведении к минимуму размышления с помощью фильтров. Изображения были получены путем захвата видео высокая скорость до 12 000 кадров/сек. Ключевые изображения до и включая перелом событие извлекаются и деформаций оцениваются между последовательными кадрами в windows тщательно размера допроса над указанной области интереса. Затем эти деформации используются для вычисления поверхности штамм височно во время испытания перелом. Штамм данных является очень полезным для выявления перелома посвящения в бедренной кости и для окончательной проверки проксимального отдела бедренной кости перелом прочность моделей производным от количественных компьютерная томография-на основе анализа методом конечных элементов (QCT/ВЭД).

Введение

Цифровые изображения корреляции (DIC) это изображение после обработки метод, используемый в текущий протокол для оценки полного поля поверхности штамм трупной бедренной испытательных образцов от времени последовательности изображений, полученных в ходе испытаний механического разрушения. Техника была впервые разработана и применяется в экспериментальной напряжений в 1980 году и наблюдается быстрый рост потребления в последние годы^1,2,3. Она имеет ряд ключевых преимуществ над более традиционными подходами, монтажа датчиков деформации на структуру, включая увеличение пространственного распределения деформации поля, тонкие датчик длины через увеличение камеры резолюция и избежать проблем с Тензодатчики прилипание клея или соблюдения. Основным преимуществом ОПК для биологических тканей, таких как кости, является, что он может применяться к неправильной геометрией, состоящий из весьма разнородных свойств материала^4,5. Его основной недостаток над традиционными штамм приобретение методов является, что она требует дорогих Высокоскоростные видеокамеры достаточное разрешение для измерения области, представляющие интерес для достижения достаточной пространственных и временных выборки для точного Оцените деформации поля.

Основное приложение полей временной деформации, полученные от перелома кости DIC анализ является проверка деформации оценок в моделях QCT/ВЭД бедренной прочности⁵. Такие проверки находится в центре внимания многих ортопедических исследовательских групп, которые преимущественно используют дистанционного измерения силы и смещение от Тензодатчики и перемещения преобразователей^6,,78. Кроме того анализ изображений после переломов разрушения образца была объединена с этих удаленных измерений как дополнительного средства проверки модели⁹. Совсем недавно DIC метод был применен для проверки модели ВЭД трещиноватости и трещины распространение в проксимального отдела бедра¹⁰. Используя штамм корреляции между моделями и экспериментов, даже больше уверенности в достоверности вычислительных моделей проксимального отдела бедра будет получен и дальнейшему продвижению QCT/ВЭД диагностический метод ближе к клинического использования.

Эта работа объясняет подробный протокол включить необходимые шаги для анализа ОПК в тестировании перелом проксимального отдела бедра. Процедура включает этапы подготовки кости распыления белой краски на поверхности кости и затем speckling черные пятна на поверхности сушеные белые кости, методы получения изображений с достаточной пространственного и временного разрешения, с помощью высокой скорости видео камеры и процесс и инструменты, которые мы использовали для вычисления поля штамм из этих образов. Мы также объяснили несколько оговорок, которые могут повлиять на качество измерений.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

все эксперименты проводились с одобрения институциональных Наблюдательный Совет. Образцы были получены от анатомических исследований лаборатории в сотрудничестве.

1. Подготовка образцов для испытаний

,
1. оттепель бедра в РТ за 24 ч.
2. Когда бедра находится в очереди для тестирования, удалите все пленкой, которая применялась до замораживания и протрите бедренной кости с сухим полотенцем, чтобы удалить любые остатки влаги, жировых отложений или мягких тканей. Горшок более вертела в чашку сборных алюминиевых с костным цементом.
3. Помощью ящика содержать частицы насколько это возможно, спрей кости с белый пластиковый грунт для достижения тонкой, равномерное покрытие. Позаботьтесь, чтобы покрыть костей с одной равномерным слоем краски для оптимального контраста и сильная адгезия к поверхности бедренной.
   Примечание: Толщина не измерялось.
4. Пусть краска высохнуть в течение по крайней мере 5 минут. Это имеет важное значение для предотвращения случайного смешивания с крапинами капельки в разделе 2.
5. Обертывание кости с влажной тканью, чтобы избежать сухости ткани.

2. Speckling процесс

1. приблизительно, добавить 1 часть воды в 2 частях краска для лучших speckling на кости. Добавление акриловые краски, чтобы сделать черный цвет воды постепенно (для лучшей смеси).
2. Dip чистую зубную щетку в палитре черной краской поглощать цвет и Флик кисть сделать черный крапинками над белым покрытием.
3. Пусть сухой для 5 минут прежде чем краска.

3. Видеосъемка

1. подключить подготовленные крапинами бедра в машине механических испытаний, вставив горшках дистального конца в арматуре и затяните два винта для фиксации образца.
2. Настроить два высокой интенсивности разряда световозвращатели, таким образом, чтобы поверхность бедра достигает высоких освещения, возможно, избегая размышления в изображение с камеры. Быстро перейти с приведенными ниже в разделе 3, чтобы избежать нежелательных нагрева образца от светового излучения до test.
3. Уменьшить отверстие передней и задней посмотреть высокой скорости видео Объективы, таким образом, что весь регион в поле зрения интерес бедренной кости находится в фокусе.
4. Скорректировать Светоотражатели для дальнейшего улучшения освещения сокращая блики.
5. Установить программное обеспечение приобретения изображений для захвата 6000 кадров/с с разрешением 1024 x 512 пикселей. Задайте количество кадров, чтобы быть приобретены после 12288 получен сигнал триггера. Рукоятка высокой скорости видео программное обеспечение для захвата изображений, когда запускающий сигнал поступает от тест-системы. После завершения тестирования видео находится в камере ' s память буфера.
6. С помощью программного обеспечения приобретения изображений, сохранить видео на диск, указав нужный путь и имя файла и нажмите " сохранить ". Будьте готовы ждать между 5-40 мин для этого процесса в зависимости от числа кадров должен быть сохранен.

4. Подготовка изображений

1. создать отдельные рабочие каталоги для передней и задней вид бедренной.
2. Использовать видео анализ программного обеспечения для открытия соответствующей высокой скорости записи видео и сразу же обратите внимание ключевой кадр справочные номера на 1, Начало загрузки кадра привода движения, и 2 рамка после событий перелом.
3. Чтобы понизить последовательность несжатых изображений TIFF от высокой скорости видео, откройте и запустите " mov_frames.m " сценарий в рабочем каталоге на стороне соответствующих бедренной.
   1. В появившемся диалоговом введите конечный номер кадра, указанных в шаге 4.2 с шагом размером 25-40. Нажмите кнопку " извлекать кадры " и проверить рабочий каталог для обеспечения правильно были извлечены файлы *.tiff.

5. Создание сетки конечных элементов

1. использования и внешней сетки конечных элементов программы для создания сетки конечных элементов. Рассчитайте 2D штаммов от дифференциального перемещения векторов с методом конечных элементов. Импортировать первоначальный извлеченные *.tiff в препроцессор конечных элементов программного обеспечения как шаблон для создания сплайна.
2. Найти два легко идентифицировать фидуциарных точек на изображении, которые находятся на противоположных углах кадра и записывать их координаты X и Y (они будут в конечном итоге использоваться в шаге 6.1). Эти координаты являются произвольными, основывается на Конвенции, ВЭД программное обеспечение использует для импорта *.tiff изображения. Координаты этих точек будет использоваться для регистрации узлы сетки конечных элементов с соответствующих пикселей видео изображения шаг 6.2.
3. В изображении, программное обеспечение для редактирования, открыть то же изображение, которое было импортировано в препроцессор конечных элементов программного обеспечения и записать значения X и Y направлении пикселей, связанные с точками, идентифицированную на шаге 5.2. Они будут использоваться в шаге 6.1.
4. В " эскиз " модуль элементных сеток программы, используйте средство сплайн наметить закрытой секции, представляющего регион стран интерес. Проверьте, регион не является слишком большой, таким образом, что на поверхности кости будет двигаться за пределами региона предварительного разрушения из-за вращения.
5. Подготовить закрытый раздел, созданный в шаге 5.4 для сетки путем посева края с глобальной сетки размером 1 мм под меню " экземпляр часть семян ".
6. Под " Assign сетки контроль ", задать элемент формы четырехугольник.
7. Сетка закрытой секции.
8. Экспорт сетки в ASCII-файл базы данных сетки, состоящей из узловых координаты и определений элементов.
9. Результате конечных элементов ввода откройте файл в текстовом редакторе, скопируйте узел блок, содержащий номера узлов и координаты в новый текстовый файл и сохранить как " nodes.txt ". Повторите для элемента блока и сохранить новый текстовый файл как " elements.txt ".

6. Зарегистрировать FE сетки с высокой скорости видео изображения и проводить цифровых изображений корреляционный анализ

1. внутри новый сеанс, создайте 2-элемент строки векторов называется ab1 и ab2 с значений, указанных в шаге 5.2. и px1 и px2 с значения определены в шагах 5.3 эти имена векторных, введя в командной строке. Сохранить рабочую область как " points.mat ".
2. Запустите сценарий " convert_imagesize.m " для регистрации точек из сетки конечных элементов с извлеченные высокая скорость видеоизображения.
3. Запустите сценарий " rrImageTrackGui.m ". Загрузить первое изображение (" p01.tif ") и введите номер версии последнего файла *.tiff, который был извлечен как общее количество изображений для обработки.
4. Загрузить сетку, созданный в шаге 5.7, убедившись, что сетка параметр равен " чтение из файла " и нажмите " принимать ". Сетка конечных элементов должны отображаться поверх изображения костей.
5. Укажите значения отслеживания на основе следующих руководящих принципов для отслеживания параметров и нажмите кнопку " продолжить " (имея в виду, что значения параметров являются размер изображения, текстуры и количество происходящих деформации и должны быть проверены тщательно на основе case-by-case). Размер ядра
   1. использовать начала 21. Размер ядра, n,-o размерf n x n (где n — нечетное число) окно пикселей, используемый для кросс корреляции и определение вектора деформации для этой области, которая будет использоваться для вычисления штамм.
   2. Использовать начальный размер подпиксель 4. Субпиксельная размер, м, является размер (2 m + 1) x (2 m + 1) подокне, над которой подпиксель деформации вычисляется, предполагая однородной деформации в этом подокне.
   3. Использовать начальный гладкость фактор 2. Гладкость фактором является количество сглаживание применяется к полю перемещения в отслеживаемых местах перед вычислением штаммов.
   4. Использовать начальный maxMove фактор 10. maxMove фактором является максимальное количество пикселей, которые любой узел может быть вдали от своей траектории относительно своего соседа ' s траектории. Это помогает избежать плохо отслеживания деформации.
   5. Использовать начальный smoothGrid фактором 15. SmoothGrid фактором является размер сетки (немного грубее, чем сетка отслеживаемых узлов), который используется для сглаживания.
6. Выберите руководство, имеющий значительный контраст избегая области с антибликовым покрытием или нерезкость вокруг него. Проверить этот пункт, нажав " проверить руководство " и проверьте пик корреляции является сильным (по крайней мере дважды амплитуда) по сравнению с его соседями. Нажмите кнопку " принимаю " и " выполнять отслеживание " когда удовлетворены. Это может быть длительный вычислительного процесса, где дифференциального смещения вычисляется для последовательности временных изображений.
7. После 6.6 шаг завершен, нажмите кнопку " анимации ". После завершения анимации, нажмите " написать штаммов (пост обработки программного обеспечения) ", введите *.exe, а затем выберите writeStrainRR_simple.exe ¹¹. Это будет вычислить штаммы. Закрыть GUI.

7. Постобработка смещения и деформации данных

1. для получения штамма против номер кадра, запустите " analyzeFailurePrecursor.m " из командной строки с входного аргумента размер шага (выбор 20-30). Вершины будет означать повреждения костей, и крупнейший пик будет соответствовать кадра рядом глобальных костной недостаточности.
2. Для создания файлов фильмов штаммов, запустить " makeMovies.m " из окна команд с аргументами (numVars, endstep, флаг).
   Примечание: Аргумент numVars определяется как 1-3 перемещений, 4-6 людей _{xx yy} и _xy штамм компоненты, 7 & 8 являются два основных и фон Мизес штамм, и 9 — это энергия деформации. Ограничитель аргумент является последний кадр должны быть включены в фильме.
   1. Задать необязательный аргумент флаг 1 только создавать фильмы для сущности, указанной для аргумента numVars и 0 для создания фильмов всех переменных.

8. Тюнинг и доработки результатов

1. Если DIC отслеживания дал плохие результаты таких разрывные деформации поля, которое падает вне континуума механики предположения, определить, что происходит и почему не удается отслеживания. Повторите раздел 6, уделяя особое внимание корректировке параметры отслеживания. Вторичный вариант может быть вернуться к конечных элементов программного обеспечения и создания более равномерным и возможно тонкой сетки.
2. Если DIC отслеживания дали удовлетворительные результаты, создать прекрасные серии изображений для ДВС. При использовании этих номеров ссылка ключевого кадра от шаг 4.2 и соответствующую частоту кадров видео, определить интервал кадра для трех различных режимов интерес в тесте перелом с требованием в виду, что очки должны двигаться не более 6 пикселей между кадрами.
   Примечание: Для этапа первоначального испытания когда штаммы медленно здания в бедренной кости, интервал кадр будет относительно большой (например, для 100 мм/сек скорость перемещения, интервал кадра для этой части является 3333 μs). Для промежуточных часть теста ближе к раме перелом штамм растет более быстрыми темпами, и меньший интервал кадр является необходимой (1667 МКС для перемещения скорость в 100 мм/сек). Для заключительной части прямо перед перелом, интервал кадр находится на ее маленький (16,7 МКС на скорость перемещения 100 мм/с).
3. Только в целях необязательно для документации: используя информацию из шаг 8.2, создание форматированных данных, записи в ASCII-файле под названием " steps.txt " содержит строки данных для каждого интервала кадра. Формат каждой строки будет начальный кадр этого режима, разделенных количество кадров для пропуска (основанный на шаг 8.2) разделенных двоеточием затем последнего кадра этого режима (то есть в формате " 1:20:200 " бы поручить добыча программное обеспечение для извлечения кадра 1 до кадра 200 шагов 20). После
   1. сразу что обозначение, Вставка табуляции и назначить изображение извлечения номер диапазона (для " 1:20:200 " пример, обозначение полная строка будет " 1:20:200 < нажать клавишу TAB > 1:11 " без кавычек). Повторяйте два других испытаний режимы, так что будет три строки информации в " steps.txt " файла. Этот файл служит рекорд как изображения были взяты из оригинального видео высокой скорости.
4. Запустить код mov_Frames.m этот раз указывая несколько режимов интервал кадр в диалоговом окне. Введите номера кадров и шаг размеров, определенных в 8.2 шаг для определения начала, отделка и рамка пропускать параметры, ожидаемые в средстве ' s диалоговое окно. Не забудьте сделать это в новый каталог в противном случае исходные изображения будут перезаписаны.
5. Повторите разделы 6 и 7 и обзор результатов для улучшения. Каждый бедра может потребовать различных дополнительных итераций в зависимости от характера перелома событий, спекл шаблон и освещения. Когда повторять шаг 6.5, сохранить настройки, то же самое, за исключением уменьшения maxMove до 6 (из 10).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Перед процессом speckling бедренной кости очищается от избыточного жира и мягких тканей, и больше вертела горшках в Кубок алюминия. Во время затвердевания полиметилметакрилата (PMMA) кость, завернутый в пропитанной физиологическим тканью, чтобы избежать сухости ткани. Посл?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

Мы ввели протокол подготовить последовательно бедренной образцы для высококонтрастных изображений во время разрушения, тестирования, которые затем использовались для оценки полного поля штамм дистрибутивов с ДВС. Этот протокол обеспечивает соответствующие контрастность текстуры ч...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

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