Name: a method to estimate cadaveric femur cortical strains during fracture testing using digital image correlation
Uploaded: 2017-09-14T12:30:00
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Gli autori vorrei ringraziare i materiali e l'anima di Testing strutturale presso la Mayo Clinic per il loro supporto tecnico nell'eseguire il test alla frattura. Inoltre vorremmo ringraziare Ramesh Raghupathy e Ian Gerstel per la loro assistenza nello sviluppo di script DIC e dettagli specifici del protocollo DIC durante il loro mandato presso la Mayo Clinic e il gruppo di ricerca Victor Barocas, Università del Minnesota per la alla base di software open source che esegue il nucleo dell'immagine digitale correlazione ceppo calcoli11. Questo studio è stato sostenuto finanziariamente dal fondo innovazione Grainger dalla Fondazione Grainger.

tutti gli esperimenti sono stati condotti con approvazione Institutional Review Board. I campioni sono stati ottenuti dai laboratori di ricerca anatomica in collaborazione.
 1. preparazione di campioni per il test <ol><li>scongelare i femori a TA per 24 h.</li>
	<li>Quando il femore è in coda per il test, rimuovere qualsiasi involucro che è stato applicato prima del congelamento e pulire il femore con un panno asciutto per rimuovere qualsiasi residuo umidità, depositi di grasso o dei tes...

<ol>
	<li>Peters, W., Ranson, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Digital+imaging+techniques+in+experimental+stress+analysis.">Digital imaging techniques in experimental stress analysis.</a> Opt Eng. 21 (3), 213427-213427 (1982).</li><li>Kwon, O., Hanna, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Enhanced+Digital+Image+Correlation+Technique+for+Feature+Tracking+During+Drying+of+Wood.">The Enhanced Digital Image Correlation Technique for Feature Tracking During Drying of Wood.</a> Strain. 46 (6), 566-580 (2010).</li><li>Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image+Correlation+for+Shape,+Motion+and+Deformation+Measurements.">Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements.</a> Adv of Opt Methods in Exp Mech. 3, (2009).</li><li>Grassi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+accurately+can+subject-specific+finite+element+models+predict+strains+and+strength+of+human+femora?+Investigation+using+full-field+measurements.">How accurately can subject-specific finite element models predict strains and strength of human femora? Investigation using full-field measurements.</a> J Biomech. 49 (5), 802-806 (2016).</li><li>Den Buijs, J. O., Dragomir-Daescu, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Validated+finite+element+models+of+the+proximal+femur+using+two-dimensional+projected+geometry+and+bone+density.">Validated finite element models of the proximal femur using two-dimensional projected geometry and bone density.</a> Comput Methods Programs Biomed. 104 (2), 168-174 (2011).</li><li>Keyak, J. H., Rossi, S. A., Jones, K. A., Skinner, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prediction+of+femoral+fracture+load+using+automated+finite+element+modeling.">Prediction of femoral fracture load using automated finite element modeling.</a> J Biomech. 31 (2), 125-133 (1998).</li><li>Lotz, J. C., Cheal, E. J., Hayes, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fracture+Prediction+for+the+Proximal+Femur+Using+Finite-Element+Models+.+1Linear-Analysis.">Fracture Prediction for the Proximal Femur Using Finite-Element Models . 1Linear-Analysis.</a> J Biomech Eng-T Asme. 113 (4), 353-360 (1991).</li><li>Cody, D. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Femoral+strength+is+better+predicted+by+finite+element+models+than+QCT+and+DXA.">Femoral strength is better predicted by finite element models than QCT and DXA.</a> J Biomech. 32 (10), 1013-1020 (1999).</li><li>Dragomir-Daescu, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+QCT/FEA+models+of+proximal+femur+stiffness+and+fracture+load+during+a+sideways+fall+on+the+hip.">Robust QCT/FEA models of proximal femur stiffness and fracture load during a sideways fall on the hip.</a> Ann Biomed Eng. 39 (2), 742-755 (2011).</li><li>Bettamer, A., Hambli, R., Allaoui, S., Almhdie-Imjabber, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+visual+image+measurements+to+validate+a+novel+finite+element+model+of+crack+propagation+and+fracture+patterns+of+proximal+femur.">Using visual image measurements to validate a novel finite element model of crack propagation and fracture patterns of proximal femur.</a> Comput Methods Biomech Biomed Eng Imaging Vis. , 1-12 (2015).</li><li>Raghupathy, R., Barocas, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Robust Image Correlation Based Strain Calculator for Tissue Systems. , (2016).</li><li>Taddei, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subject-specific+finite+element+models+of+long+bones:+An+in+vitro+evaluation+of+the+overall+accuracy.">Subject-specific finite element models of long bones: An in vitro evaluation of the overall accuracy.</a> J Biomech. 39 (13), 2457-2467 (2006).</li><li>Grassi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accuracy+of+finite+element+predictions+in+sideways+load+configurations+for+the+proximal+human+femur.">Accuracy of finite element predictions in sideways load configurations for the proximal human femur.</a> J Biomech. 45 (2), 394-399 (2012).</li><li>Gerstel, I., Raghupathy, R., Dragomir-Daescu, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Digital+Image+Correlation+Identifies+Quantitative+Characteristics+in+Proximal+Femur+Fracture+Crack.">Digital Image Correlation Identifies Quantitative Characteristics in Proximal Femur Fracture Crack.</a> ORS Annual Mtg. , (2012).</li></ol>

Abbiamo introdotto un protocollo per costantemente preparare campioni femorali per formazione immagine ad alto contrasto durante la frattura test che poi sono stati usati per stimare le distribuzioni di ceppo di pieno campo con DIC. Questo protocollo ha assicurato texture a contrasto appropriato di nero rilevamento delle macchioline sfondo bianco solido sulla superficie dell'osso. A seguito di questo protocollo, abbiamo replicato con successo la stima dei ceppi utilizzando analisi DIC per ottantanove femori.
<p class...

Correlazione di immagini digitali (DIC) è una metodo che viene utilizzato nel protocollo corrente per stimare il ceppo di superficie di pieno campo di provini cadaverico femorale da tempo-sequenza immagini ottenute durante le prove di meccanica della frattura di post-elaborazione di immagine. La tecnica è stata sviluppata e applicata in analisi sperimentale delle sollecitazioni nel 1980 e ha conosciuto un rapido aumento in uso negli ultimi anni1,2,3. Presenta parecchi vantaggi chiavi sopra gli approcci più tradizionali di estensimetri di montaggio su una struttura incluso aumento della distribuzione spaziale del campo di deformazione, più fine gauge lunghezze tramite fotocamera aumentato ad alta risoluzione ed evitando problemi a strain gauge adesione di colla o di conformità. Un vantaggio importante di DIC per tessuti biologici, quale l'osso, è che può essere applicato a geometrie irregolari che comprende proprietà materiale altamente eterogenee4,5. Il suo principale svantaggio rispetto ai metodi di acquisizione tradizionale ceppo è che richiede costosi ad alta velocità video macchine fotografiche di sufficiente risoluzione per la misura della regione di interesse per ottenere sufficiente spaziale e temporale di campionamento a accuratamente calcolare ceppo campi.
L'applicazione principale dei campi di deformazione temporale ottenuta da frattura ossea analisi DIC è per convalidare le stime di ceppo in modelli QCT/FEA di femorale forza5. Tale convalida è al centro di molti gruppi di ricerca ortopedica che utilizzano principalmente misure remote di forza e spostamento da celle di carico e trasduttori di spostamento6,7,8. Inoltre, analisi delle immagini post-frattura del modello di frattura sono stato combinato con queste misure remote come ulteriore mezzo di modello convalida9. Più recentemente, è stato applicato il metodo DIC per convalidare un modello FEA di frattura e propagazione nel femore prossimale10. Utilizzando ceppo correlazione tra modelli ed esperimenti, anche più fiducia nella validità di modelli computazionali dei femori prossimali sarà ottenuta e promuovere ulteriormente l'utilizzo di più vicino alla clinica del metodo diagnostico QCT/FEA.
Quest'opera spiega un protocollo dettagliato per incorporare le misure necessarie per l'analisi DIC in test alla frattura del femore prossimale. La procedura inclusa la procedura di preparazione dell'osso di una vernice bianca di spruzzatura sulla superficie dell'osso e quindi pezzatura macchie nere sulla superficie bianca secca dell'osso, metodi per ottenere immagini con risoluzione spaziale e temporale sufficiente utilizzando alta velocità video macchine fotografiche e il processo e strumenti che abbiamo usato per il calcolo di campi di sforzo da queste immagini. Abbiamo anche spiegato diversi aspetti che possono influenzare la qualità delle misurazioni.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1549">
	<tbody>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Krylon plastic primer white</td>
			<td style="width:360px;">Krylon, Peoria, AZ, USA</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td style="width:479px;">Used as a base coat for a smooth white finish on bone surface</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Water-based acrylic white and black paint&#160;</td>
			<td style="width:360px;">Plaid Enterprises (Ceramcoat), Norcross, GA, USA</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td style="width:479px;">Paint source for white and black colors</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Mixing bowl</td>
			<td style="width:360px;">Not specific (generic)</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td style="width:479px;">Used to mix and prepare paint</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Foam brush</td>
			<td style="width:360px;">Linzer Products, Wyandanch, NY, USA</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td style="width:479px;">Used to apply paint on bone surface</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Toothbrush</td>
			<td style="width:360px;">Colgate-Palmolive, New York, NY, USA</td>
			<td style="width:425px;">Firm bristle</td>
			<td style="width:479px;">Used to apply appropriate size and distribution of speckling pattern</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Hygenic Orthodontic Resin (PMMA)</td>
			<td style="width:360px;">Patterson Dental, St Paul, MN, USA</td>
			<td style="width:425px;">H02252</td>
			<td>Controlled substance and can be purchased with proper approval</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Kenmore Freezer</td>
			<td style="width:360px;">Sears Holdings, Hoffman Estates, IL, USA</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td>Used to maintain a -20oC storage enviroment for bone specimens</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride)</td>
			<td style="width:360px;">Baxter Healthcare, Deerfield, IL, USA</td>
			<td style="width:425px;">NDC 0338-0048-04</td>
			<td>Used for keeping specimens hydrated</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Scalpels and scrapers</td>
			<td style="width:360px;">Aspen Surgical (Bard-Parker), Caledonia, MI, USA&#160;</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td>Used to remove soft tissue from bone specimens</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Fume Hood</td>
			<td style="width:360px;">Hamilton Laboratory Solutions, Manitowoc, WI, USA</td>
			<td style="width:425px;">70532</td>
			<td>Used for ventilation when preparing PMMA for potting of specimens</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Lighting units</td>
			<td style="width:360px;">ARRI, Munich, Germany</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td>Needed for illumination of target for image capture</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">High-speed video camera</td>
			<td style="width:360px;">Photron Inc., San Diego, CA, USA</td>
			<td style="width:425px;">Photron Fastcam APX-RS&#160;</td>
			<td>Used to capture the high speed video recordings of the fracture events</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Photron FASTCAM Imager and Viewer</td>
			<td style="width:360px;">Photron Inc., San Diego, CA, USA</td>
			<td style="width:425px;">Ver.3392(x64)</td>
			<td>Used to record and view the high speed video recordings</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:285px;">Camera lens</td>
			<td style="width:360px;">Zeiss, Oberkochen, Germany</td>
			<td style="width:425px;">Zeiss Planar L4/50 ZF Lens</td>
			<td>Needed for appropriate image resolution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">ABAQUS CAE</td>
			<td style="width:360px;">Dassault System&#232;s, Waltham, MA, USA</td>
			<td style="width:425px;">Versions 6.13-4</td>
			<td>Used for defining region of interest and creating finite element mesh</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">MATLAB</td>
			<td style="width:360px;">Mathworks, Natick, MA, USA</td>
			<td style="width:425px;">Version 2015b</td>
			<td>Used for image processing and DIC analysis</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:285px;">TecPlot</td>
			<td style="width:360px;">TecPlot Inc., Bellevue, WA</td>
			<td style="width:425px;"></td>
			<td>Used for post processing of strain fields</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:285px;">Strain Calculator Software</td>
			<td style="width:360px;">Victor Barocas Research Group, University of Minnesota, Minneapolis, MN, USA</td>
			<td style="width:425px;">http://license.umn.edu/technologies/20130022_robust-image-correlation-based-strain-calculator-for-tissue-systems</td>
			<td>Used to calculate strain field</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;width:285px;">mov_frames.m</td>
			<td style="width:360px;">Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td>Used to downsample uncompressed images from high speed video files</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;width:285px;">convert_imagesize.m</td>
			<td style="width:360px;">Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td>Used to register image pixel coordinates with mesh coordinates</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;">rrImageTrackGui.m</td>
			<td style="width:360px;">Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td>Used to perform the image cross-correlation to obtain deformations and run Strain Calculator</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;width:285px;">analyzeFailurePrecursor.m</td>
			<td style="width:360px;">Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td>Used to track the peak strain components temporally</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;width:285px;">makeMovies.m</td>
			<td style="width:360px;">Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA</td>
			<td style="width:425px;">N/A</td>
			<td>Used to create portable *.avi movies of the deformation components, strain components, principal strains, von Mises strain, and strain energy</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a method to estimate cadaveric femur cortical strains during fracture testing using digital image correlation

Questo protocollo descrive il metodo utilizzando la correlazione di immagini digitali per stimare corticale ceppo da immagini video ad alta velocità della superficie femorale cadaverica ottenuti da prove meccaniche. Questo metodo ottico richiede una texture di molti marchi fiduciari a contrasto su sfondo bianco solido per un monitoraggio accurato della deformazione della superficie come carico è applicato al provino. Immediatamente prima della prova, la superficie di interesse in vista della telecamera è dipinto con un primer bianco all'acqua e lasciata asciugare per alcuni minuti. Quindi, una vernice nera è macchiato con attenzione sopra priorità bassa bianca con considerazione speciale per la dimensione e la forma delle goccioline anche. Illuminazione è attentamente progettato e impostato in modo che non c'è contrasto ottima di questi segni, riducendo al minimo i riflessi attraverso l'uso di filtri. Le immagini sono state ottenute attraverso acquisizione di video ad alta velocità fino a 12.000 immagini/s. Le immagini chiave prima e compreso l'evento di frattura sono estratte e deformazioni sono stimati tra fotogrammi successivi a windows di interrogatorio accuratamente dimensioni sopra una determinata area di interesse. Queste deformazioni sono quindi utilizzate per calcolare la superficie ceppo temporaneamente durante la prova di frattura. I dati di ceppo sono molto utili per identificare l'inizio di frattura all'interno del femore e per eventuale validazione dei modelli di forza frattura femore prossimale derivato da basati su tomografia computata quantitativa analisi agli elementi finiti (QCT/FEA).

Prima del processo di pezzatura, femore viene pulito dai tessuti in eccesso di grasso e molli, e il grande trocantere è in vaso in una tazza di alluminio. Durante la solidificazione di polimetilmetacrilato (PMMA), l'osso è avvolto in un panno imbevuto salino per evitare la secchezza del tessuto. Una volta PMMA è solidificato, l'osso viene pulita di nuovo a destra prima di spruzzare (Figura 1). Quindi, la superficie ossea viene spruzzata o ...

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A Method to Estimate Cadaveric Femur Cortical Strains During Fracture Testing Using Digital Image Correlation

In questo protocollo, si stima che i ceppi di superficie del femore durante la frattura prova usando la tecnica di correlazione di immagini digitali. La novità del metodo consiste nell'applicazione di un modello stocastico speckle ad alto contrasto sulla superficie del femore, illuminazione attentamente specificato, acquisizione video ad alta velocità e analisi di correlazione di immagini digitali per i calcoli di ceppo.

Un metodo per stimare il femore cadaverico corticale ceppi durante frattura test utilizzando correlazione di immagini digitali

This protocol describes the method using digital image correlation to estimate cortical strain from high speed video images of the cadaveric femoral ...

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