Name: measuring local tissue strains in tendons via open-source digital image correlation
Uploaded: 2023-01-27T14:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measuring Local Tissue Strains in Tendons via Open-Source Digital Image Correlation at JoVE.com

تم تمويل هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R21 AR079095) والمؤسسة الوطنية للعلوم (2142627).

تمت الموافقة على هذه الدراسة من قبل لجنة رعاية واستخدام الحيوانات المؤسسية بجامعة ولاية بنسلفانيا.
1. إعداد الأنسجة
<ol><li>بالنسبة لهذا البروتوكول ، احصد أوتار العرقوب من ذكور الفئران C57BL / 6 البالغة من العمر 2-4 أشهر. ملاحظة: يمكن أيضا استخدام أوتار أو أربطة مختلفة م?...

<ol>
	<li>Devkota, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distributing+a+fixed+amount+of+cyclic+loading+to+tendon+explants+over+longer+periods+induces+greater+cellular+and+mechanical+responses.">Distributing a fixed amount of cyclic loading to tendon explants over longer periods induces greater cellular and mechanical responses.</a> Journal of Orthopaedic Research. 11 (4), 1609-1612 (2007).</li><li>Sun, H. B., 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=Cycle-dependent+matrix+remodeling+gene+expression+response+in+fatigue-loaded+rat+patellar+tendons.">Cycle-dependent matrix remodeling gene expression response in fatigue-loaded rat patellar tendons.</a> Journal of Orthopaedic Research. 28 (10), 1380-1386 (2010).</li><li>Shepherd, J. H., Screen, H. R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fatigue+loading+of+tendon.">Fatigue loading of tendon.</a> International Journal of Experimental Pathology. 94 (4), 260-270 (2013).</li><li>Paschall, L., Pedaprolu, K., Carrozzi, S., Dhawan, A., Szczesny, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+stimulation+as+both+the+cause+and+the+cure+of+tendon+and+ligament+injuries.">Mechanical stimulation as both the cause and the cure of tendon and ligament injuries.</a> Regenerative Rehabilitation: From Basic Science to the Clinic. , 359-386 (2022).</li><li>Andarawis-Puri, N., Ricchetti, E. T., Soslowsky, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rotator+cuff+tendon+strain+correlates+with+tear+propagation.">Rotator cuff tendon strain correlates with tear propagation.</a> Journal of Biomechanics. 42 (2), 158-163 (2009).</li><li>Cheng, V. W. T., Screen, H. R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+micro-structural+strain+response+of+tendon.">The micro-structural strain response of tendon.</a> Journal of Materials Science. 42 (21), 8957-8965 (2007).</li><li>Luyckx, T., 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=Digital+image+correlation+as+a+tool+for+three-dimensional+strain+analysis+in+human+tendon+tissue.">Digital image correlation as a tool for three-dimensional strain analysis in human tendon tissue.</a> Journal of Experimental Orthopaedics. 1 (1), 7 (2014).</li><li>Duncan, N. A., Bruehlmann, S. B., Hunter, C. J., Shao, X., Kelly, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+cell-matrix+mechanics+in+tendon+fascicles+and+seeded+collagen+gels:+Implications+for+the+multiscale+design+of+biomaterials.">In situ cell-matrix mechanics in tendon fascicles and seeded collagen gels: Implications for the multiscale design of biomaterials.</a> Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 17 (1), 39-47 (2014).</li><li>Arnoczky, S. P., Lavagnino, M., Whallon, J. H., Hoonjan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+cell+nucleus+deformation+in+tendons+under+tensile+load;+A+morphological+analysis+using+confocal+laser+microscopy.">In situ cell nucleus deformation in tendons under tensile load; A morphological analysis using confocal laser microscopy.</a> Journal of Orthopaedic Research. 20 (1), 29-35 (2002).</li><li>Screen, H. R. C., Bader, D. L., Lee, D. A., Shelton, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+strain+measurement+within+tendon.">Local strain measurement within tendon.</a> Strain. 40 (4), 157-163 (2004).</li><li>Fung, A. K., Paredes, J. J., Andarawis-Puri, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+image+analysis+methods+for+quantification+of+in+situ+3-D+tendon+cell+and+matrix+strain.">Novel image analysis methods for quantification of in situ 3-D tendon cell and matrix strain.</a> Journal of Biomechanics. 67, 184-189 (2018).</li><li>Yang, J., Bhattacharya, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Augmented+Lagrangian+digital+image+correlation.">Augmented Lagrangian digital image correlation.</a> Experimental Mechanics. 59 (2), 187-205 (2019).</li><li>Peterson, B. E., Szczesny, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dependence+of+tendon+multiscale+mechanics+on+sample+gauge+length+is+consistent+with+discontinuous+collagen+fibrils.">Dependence of tendon multiscale mechanics on sample gauge length is consistent with discontinuous collagen fibrils.</a> Acta Biomaterialia. 117, 302-309 (2020).</li><li>Humphrey, J. D., O'Rourke, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> An Introduction to Biomechanics. , (2015).</li><li>Reese, S. P., Weiss, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tendon+fascicles+exhibit+a+linear+correlation+between+Poisson's+ratio+and+force+during+uniaxial+stress+relaxation.">Tendon fascicles exhibit a linear correlation between Poisson's ratio and force during uniaxial stress relaxation.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 135 (3), 34501 (2013).</li><li>Ahmadzadeh, H., Freedman, B. R., Connizzo, B. K., Soslowsky, L. J., Shenoy, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micromechanical+poroelastic+finite+element+and+shear-lag+models+of+tendon+predict+large+strain+dependent+Poisson's+ratios+and+fluid+expulsion+under+tensile+loading.">Micromechanical poroelastic finite element and shear-lag models of tendon predict large strain dependent Poisson's ratios and fluid expulsion under tensile loading.</a> Acta Biomaterialia. 22, 83-91 (2015).</li><li>Szczesny, S. E., Elliott, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interfibrillar+shear+stress+is+the+loading+mechanism+of+collagen+fibrils+in+tendon.">Interfibrillar shear stress is the loading mechanism of collagen fibrils in tendon.</a> Acta Biomaterialia. 10 (6), 2582-2590 (2014).</li><li>Han, W. M., 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=Macro-+to+microscale+strain+transfer+in+fibrous+tissues+is+heterogeneous+and+tissue-specific.">Macro- to microscale strain transfer in fibrous tissues is heterogeneous and tissue-specific.</a> Biophysical Journal. 105 (3), 807-817 (2013).</li><li>Pedaprolu, K., Szczesny, S. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel,+open-source,+low-cost+bioreactor+for+load-controlled+cyclic+loading+of+tendon+explants.">A novel, open-source, low-cost bioreactor for load-controlled cyclic loading of tendon explants.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 144 (8), 084505 (2022).</li><li>Gatt, R., 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=Negative+Poisson's+ratios+in+tendons:+An+unexpected+mechanical+response.">Negative Poisson's ratios in tendons: An unexpected mechanical response.</a> Acta Biomaterialia. 24, 201-208 (2015).</li></ol>

كان الهدف من هذه الورقة هو توفير طريقة مفتوحة المصدر ومعتمدة لقياس حقول إجهاد 2D في الأوتار تحت حمل الشد. استند أساس البرنامج إلى خوارزمية ALDIC المتاحة للجمهور12. تم تضمين هذه الخوارزمية في رمز MATLAB أكبر مع الوظيفة المضافة لتحليل الإجهاد التدريجي (مقابل التراكمي). ثم تم تطبيق هذه ا...

الأوتار هي أنسجة حساسة ميكانيكيا تتكيف وتتدهور استجابة للتحميل الميكانيكي1،2،3،4. نظرا للدور الذي تلعبه المحفزات الميكانيكية في بيولوجيا خلايا الأوتار ، هناك اهتمام كبير بفهم السلالات التي تواجهها خلايا الأوتار في بيئة الأنسجة الأصلية أثناء التحميل. تم تطوير العديد من التقنيات التجريبية والتحليلية لقياس سلالات الأنسجة المحلية في الأوتار. وتشمل هذه تحليلات ارتباط الصورة الرقمية 2D / 3D (DIC) للإجهادات السطحية باستخدام أنماط البقع أو الخطوط المبيضة ضوئيا (PBLs) 5،6،7،8 ، وقياس التغيرات في المسافة من النقط الوسطى إلى النوى الفردية داخل الأنسجة9،10 ، وطريقة حديثة ثلاثية الأبعاد ثلاثية الأبعاد كاملة المجال تأخذ في الاعتبار الحركة خارج المستوى والتشوهات ثلاثية الأبعاد11 . ومع ذلك، لم يتم الإبلاغ عن دقة وحساسية هذه التقنيات إلا في حالات قليلة، ولم يتم إتاحة أي من هذه التقنيات للجمهور، مما يجعل اعتماد هذه التقنيات واستخدامها على نطاق واسع أمرا صعبا.
كان الهدف من هذا العمل هو إنشاء أداة تحليل تم التحقق من صحتها لقياس سلالات الأنسجة المحلية في نباتات الأوتار المتاحة بسهولة وسهلة الاستخدام. تعتمد الطريقة المختارة على خوارزمية ارتباط الصور الرقمية المعززة (ALDIC) المتاحة للجمهور والمكتوبة في MATLAB والتي تم تطويرها بواسطة Yang و Bhattacharya12. تم تكييف هذه الخوارزمية لتحليل عينات الأوتار والتحقق من صحتها من خلال تطبيقها على الصور المحولة رقميا ومقارنة السلالات المقاسة في عينات الأوتار الفعلية بالنتائج التي تم الحصول عليها من الخطوط المبيضة ضوئيا. علاوة على ذلك ، تم تنفيذ وظائف إضافية في الخوارزمية لتأكيد دقة حقل الإزاحة المحسوب حتى في حالة عدم وجود قيم إجهاد معروفة أو تقنية قياس ثانوية. لذلك ، هذه الخوارزمية هي أداة مفيدة للغاية وقابلة للتكيف لقياس سلالات الأنسجة 2D المحلية بدقة في الأوتار.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>5-DTAF (5-(4,6-Dichlorotriazinyl) Aminofluorescein), single isomer</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>D16</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calipers</td>
			<td>Mitutoyo</td>
			<td>500-196-30</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Confocal Microscope</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>A1R HD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corning LSE Vortex Mixer</td>
			<td>Coning</td>
			<td>6775</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DRAQ5 Fluorescent Probe Solution (5 mM)</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>62554</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>R2022b</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tensile Loading Device</td>
			<td>N/A</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Tensile loading device described in Peterson et al, 2020. (ref 13)&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tube Revolver Rotator</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>88881001</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring local tissue strains in tendons via open-source digital image correlation

هناك اهتمام علمي كبير بفهم السلالات التي تواجهها خلايا الأوتار في الموقع وكيف تؤثر هذه السلالات على إعادة تشكيل الأنسجة. بناء على هذا الاهتمام ، تم تطوير العديد من التقنيات التحليلية لقياس سلالات الأنسجة المحلية داخل نباتات الأوتار أثناء التحميل. ومع ذلك ، في العديد من الحالات ، لم يتم الإبلاغ عن دقة وحساسية هذه التقنيات ، ولا تتوفر أي من الخوارزميات للجمهور. وقد جعل هذا من الصعب قياس سلالات الأنسجة المحلية على نطاق واسع في زراعة الأوتار. لذلك ، كان الهدف من هذه الورقة هو إنشاء أداة تحليل تم التحقق من صحتها لقياس سلالات الأنسجة المحلية في نباتات الأوتار المتاحة بسهولة وسهلة الاستخدام. على وجه التحديد ، تم تكييف خوارزمية ارتباط الصور الرقمية المعززة (ALDIC) المتاحة للجمهور لقياس سلالات 2D من خلال تتبع إزاحة نوى الخلية داخل أوتار أخيل الفأر تحت التوتر أحادي المحور. بالإضافة إلى ذلك ، تم التحقق من دقة السلالات المحسوبة من خلال تحليل الصور المحولة رقميا ، وكذلك من خلال مقارنة السلالات بالقيم المحددة من تقنية مستقلة (أي الخطوط المبيضة ضوئيا). أخيرا ، تم دمج تقنية في الخوارزمية لإعادة بناء الصورة المرجعية باستخدام حقل الإزاحة المحسوب ، والذي يمكن استخدامه لتقييم دقة الخوارزمية في حالة عدم وجود قيم إجهاد معروفة أو تقنية قياس ثانوية. الخوارزمية قادرة على قياس سلالات تصل إلى 0.1 بدقة 0.00015. نجحت تقنية مقارنة صورة مرجعية أعيد بناؤها مع الصورة المرجعية الفعلية في تحديد العينات التي تحتوي على بيانات خاطئة وأشارت إلى أنه في العينات ذات البيانات الجيدة ، كان ما يقرب من 85٪ من مجال الإزاحة دقيقا. أخيرا ، كانت السلالات المقاسة في أوتار أخيل الفأر متسقة مع الأدبيات السابقة. لذلك ، تعد هذه الخوارزمية أداة مفيدة للغاية وقابلة للتكيف لقياس سلالات الأنسجة المحلية في الأوتار بدقة.

قبل تحليل حقول الإجهاد في عينات الأنسجة الفعلية ، تم التحقق من صحة بروتوكول ALDIC لأول مرة باستخدام صور متوترة / محولة رقميا للنوى داخل أوتار أخيل الفأر. على وجه التحديد ، تم تحويل الصور لإنتاج سلالات موحدة رقميا في الاتجاه x بنسبة 2٪ و 4٪ و 6٪ و 8٪ و 10٪ مع نسبة محاكاة بواسون 115,16</sup...

Watch this Scientific Journal Video about Measuring Local Tissue Strains in Tendons via Open-Source Digital Image Correlation at JoVE.com

Measuring Local Tissue Strains in Tendons via Open-Source Digital Image Correlation

تصف هذه الورقة خوارزمية ارتباط الصور الرقمية مفتوحة المصدر لقياس سلالات الأنسجة 2D المحلية داخل نباتات الأوتار. تم التحقق من دقة التقنية باستخدام تقنيات متعددة ، وهي متاحة للاستخدام العام.

قياس سلالات الأنسجة المحلية في الأوتار عبر ارتباط الصورة الرقمية مفتوحة المصدر

There is considerable scientific interest in understanding the strains that tendon cells experience in situ and how these strains influence tissue ...

يتيح هذا البروتوكول قياسات سلالات الأنسجة المحلية داخل الوتر أثناء التحميل. من المفيد أن نفهم كيف تتصرف الأوتار ميكانيكيا وتتكيف مع بيئة التحميل الخاصة بها. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أن البرنامج المستخدم متاح للجمهور عبر الإنترنت ويوفر ملاحظات حول دقة القياس حتى عندما تكون سلالات الأنسجة الحقيقية غير معروفة.يعد قياس سلالات الأنسجة المحلية في الوتر أمرا ذا قيمة لفهم كيفية إعادة تشكيل الخلايا للأنسجة أثناء تنكس الأوتار وإصلاحها. سيوضح هذا الإجراء ستانتون جودشال ، وهو طالب جامعي ، وكريشنا بيدابرولو ، طالب دكتوراه في مختبري. بعد تلطيخ أوتار العرقوب المحصودة في DTAF ، انقل الأنسجة من محلول DTAF إلى محلول DRAQ5 واحتضان الأنسجة في مكان مظلم لمدة 10 دقائق في درجة حرارة الغرفة.ضع الوتر في قبضة جهاز تحميل الشد. قبل تركيب المقابض في جهاز التحميل ، استخدم الفرجار الرقمي لقياس المسافة بين ملحق العقبي والمقبض المقابل. قم بتركيب المقابض في جهاز التحميل الذي يحتوي على برنامج تلفزيوني للحفاظ على ترطيب الأنسجة.قم بمحاذاة الوتر على أفضل وجه ممكن مع المحور x أو المحور y لصور المجهر بحيث تتوافق مخرجات سلالة X وسلالة Y للخوارزمية مع محور الوتر. قم بتحميل الوتر بغرام واحد من التوتر. إذا رغبت في ذلك ، قم بتبييض ضوئي لمجموعة من أربعة خطوط متباعدة 80 ميكرون في المنطقة الوسطى من الأنسجة ، وكرر العملية على الطرفين الأيسر والأيمن بالقرب من المقابض.التغيير في المسافة بين الخطوط في كل منطقة نسيج هو قياس ثانوي لسلالات الأنسجة المحلية التي يمكن استخدامها للتحقق من صحة البيانات. بعد ذلك ، باستخدام المجهر متحد البؤر ، احصل على صور حجمية لتألق DTAF و DRAQ5 عند جرام واحد من التحميل المسبق. قم بإجراء منحدر إجهاد إلى 2٪ إجهاد بنسبة 0.5٪ في الثانية.لاحظ أنه يمكن تعديل معدل الإجهاد وحجم الإجهاد المتزايد. بعد السماح للأنسجة بالاسترخاء لمدة 10 دقائق ، التقط صورة حجمية أخرى للأنسجة بعد التشوه. كرر العملية لأكبر عدد ممكن من زيادات الإجهاد حسب الرغبة.لإنشاء الصور المحولة رقميا ، قم بتنزيل الكود digital_strain. م من جيثب. بعد التنزيل ، افتح الكود وقم بتشغيله.عند المطالبة ، أدخل القيم المطلوبة للحد الأقصى للإجهاد المطبق ، وزيادة الإجهاد المطبقة ، ونسبة بواسون قبل الضغط على موافق. ثم عند مطالبتك مرة أخرى ، حدد الصورة المرجعية غير المشوهة. لكل زيادة إجهاد ، يتم عرض تراكب للصورة المرجعية والصورة المحولة. سيتم حفظ الصور المحولة رقميا في الدليل المسمى سلالة X بالمائة المحولة رقميا حيث X هي زيادة الإجهاد.افتح البرنامج النصي بالاسم المعروض وانقر فوق تشغيل لبدء تحليل الصورة. عند المطالبة ، قم بتغيير قيم ارتباط الصورة الرقمية Lagrangian المعزز أو معلمات ALDIC حسب الرغبة. بعد المطالبة ، حدد مربع الاختيار نعم لحفظ القيمة المتوسطة والانحراف المعياري وخريطة 2D تلقائيا لمجموعة المتغيرات المطلوبة.عند المطالبة ، حدد المتغيرات المطلوبة مثل سلالة X ، سلالة Y ، سلالة القص ، المناطق السيئة ، وما إلى ذلك ، واضغط على موافق. بعد المطالبة التالية، حدد المجلد الذي يحتوي على إسقاطات Z ذات الكثافة القصوى المعاد تسميتها. يقوم البرنامج تلقائيا بتنفيذ ALDIC التزايدي لتحديد حقول الإجهاد للصور المشوهة. عند المطالبة ، انقر بزر الماوس الأيسر لإنشاء مضلع من أربع نقاط لتحديد منطقة الاهتمام لقياس السلالات.يخزن المجلد نتائج التتبع النووي ، والتي يمكن إعادة تسميتها عن طريق ضبط السطرين 555 و 556 ، جميع المؤامرات المحددة مسبقا. يحتوي هذا المجلد أيضا على جدول بيانات باسم النتائج ، والذي يخزن جميع الوسائل والانحرافات المعيارية المحددة من قبل. عند التحقق من صحتها باستخدام الصور المتوترة رقميا ، قللت خوارزمية ALDIC باستمرار من متوسط سلالة X وزاد حجم الخطأ مع زيادة الإجهاد المطبق.كما تم التقليل من شأن سلالة Y في الغالب. ومع ذلك ، في جميع الحالات ، كان حجم خطأ الإجهاد صغيرا جدا. زاد الانحراف المعياري للسلالة X المحسوبة وسلالة Y ، على الرغم من انخفاض حجمها ، مع زيادة الإجهاد المطبق.كشف تحليل المنطقة السيئة أن عدد المناطق السيئة التي تحتوي على حسابات إجهاد غير صالحة في الصور المحولة رقميا التي تم تحليلها باستخدام الطريقة التراكمية زاد باستمرار بعد 6٪ من الإجهاد المطبق ، بينما ظلت الكمية الإضافية عند 1٪ في إحدى العينات الأربع ، والتي تم التعامل معها على أنها قيمة شاذة ، تم تحديد ما يقرب من نصف الصورة على أنها سيئة عند أقصى زيادة إجهاد. كانت سلالات X المحسوبة بواسطة ALDIC أكبر من تلك المحددة من PBLs ، وكان الفرق في حدود 0.005 وهو مشابه للانحراف المعياري لبيانات PBL في المتوسط عبر جميع العينات. أظهر تحديد المقادير والتوزيعات المكانية للسلالات المحلية في الأوتار تحت حمل الشد أنه في جميع العينات ، ظلت السلالة X باستمرار أقل من السلالات المطبقة.كان متوسط الانفعال في الاتجاه Y صفرا تقريبا لجميع الزيادات ، لكن الانحراف المعياري كان مرتفعا. زاد متوسط إجهاد القص بشكل مطرد طوال زيادات الإجهاد. النقطة الأكثر أهمية التي يجب تذكرها هي حفظ الصور قبل تطبيق إجهاد أكبر.الصور ، إذا لم يتم حفظها ، يتم فقدها ولا يمكن استردادها. في حين تم التحقق من صحة هذه التقنية على وجه التحديد لقياس سلالات الأنسجة داخل الأوتار ، إلا أنها يمكن أن توفر نظرة ثاقبة في البيولوجيا الميكانيكية وميكانيكا العديد من الأنسجة الحيوانية والبشرية الأخرى.

measuring-local-tissue-strains-tendons-via-open-source-digital-image

Research

JoVE Journal

Engineering

Measuring Local Tissue Strains in Tendons via Open-Source Digital Image Correlation

Echo Particle Image Velocimetry

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 Consequently, a prerequisite for understanding, predicting, and controlling fluid flows is the capability to measure the velocity field with adequate spatial and temporal resolution.2 For velocity measurements in optically opaque fluids or through optically opaque geometries, echo particle image velocimetry (EPIV) is an attractive diagnostic technique to generate "instantaneous" two-dimensional fields of velocity.3,4,5,6 In this paper, the operating protocol for an EPIV system built by integrating a commercial medical ultrasound machine7 with a PC running commercial particle image velocimetry (PIV) software8 is described, and validation measurements in Hagen-Poiseuille (i.e., laminar pipe) flow are reported.
For the EPIV measurements, a phased array probe connected to the medical ultrasound machine is used to generate a two-dimensional ultrasound image by pulsing the piezoelectric probe elements at different times. Each probe element transmits an ultrasound pulse into the fluid, and tracer particles in the fluid (either naturally occurring or seeded) reflect ultrasound echoes back to the probe where they are recorded. The amplitude of the reflected ultrasound waves and their time delay relative to transmission are used to create what is known as B-mode (brightness mode) two-dimensional ultrasound images. Specifically, the time delay is used to determine the position of the scatterer in the fluid and the amplitude is used to assign intensity to the scatterer. The time required to obtain a single B-mode image, t, is determined by the time it take to pulse all the elements of the phased array probe. For acquiring multiple B-mode images, the frame rate of the system in frames per second (fps) = 1/&delta;t. (See 9 for a review of ultrasound imaging.)
For a typical EPIV experiment, the frame rate is between 20-60 fps, depending on flow conditions, and 100-1000 B-mode images of the spatial distribution of the tracer particles in the flow are acquired. Once acquired, the B-mode ultrasound images are transmitted via an ethernet connection to the PC running the PIV commercial software. Using the PIV software, tracer particle displacement fields, D(x,y)[pixels], (where x and y denote horizontal and vertical spatial position in the ultrasound image, respectively) are acquired by applying cross correlation algorithms to successive ultrasound B-mode images.10 The velocity fields, u(x,y)[m/s], are determined from the displacements fields, knowing the time step between image pairs, &Delta;T[s], and the image magnification, M[meter/pixel], i.e., u(x,y) = MD(x,y)/&Delta;T. The time step between images &Delta;T = 1/fps + D(x,y)/B, where B[pixels/s] is the time it takes for the ultrasound probe to sweep across the image width. In the present study, M = 77[&mu;m/pixel], fps = 49.5[1/s], and B = 25,047[pixels/s]. Once acquired, the velocity fields can be analyzed to compute flow quantities of interest.

An echo particle image velocimetry (EPIV) system capable of acquiring two-dimensional fields of velocity in optically opaque fluids or through optically opaque geometries is described, and validation measurements in pipe flow are reported.

صدى الجسيمات Velocimetry صورة

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 ...

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input bias voltage. However, the tradeoff for the improved switching performance is a relatively long settling time to reach each gap height in response to various applied voltages. Transient applied bias waveforms are employed to facilitate reduced switching times for electrostatic fringing-field MEMS actuators with high mechanical quality factors. Removing the underlying substrate of the fringing-field actuator creates the low mechanical damping environment necessary to effectively test the concept. The removal of the underlying substrate also a has substantial improvement on the reliability performance of the device in regards to failure due to stiction. Although DC-dynamic biasing is useful in improving settling time, the required slew rates for typical MEMS devices may place aggressive requirements on the charge pumps for fully-integrated on-chip designs. Additionally, there may be challenges integrating the substrate removal step into the back-end-of-line commercial CMOS processing steps. Experimental validation of fabricated actuators demonstrates an improvement of 50x in switching time when compared to conventional step biasing results. Compared to theoretical calculations, the experimental results are in good agreement.

The robust device design of fringing-field electrostatic MEMS actuators results in inherently low squeeze-film damping conditions and long settling times when performing switching operations using conventional step biasing. Real-time switching time improvement with DC-dynamic waveforms reduces the settling time of fringing-field MEMS actuators when transitioning between up-to-down and down-to-up states.

في الوقت الحقيقي DC-ديناميكية لتبديل طريقة يتحامل تحسين الوقت في Underdamped بشدة التهديب الميدان كهرباء MEMS المحركات

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Taking Advantage of Reduced Droplet-surface Interaction to Optimize Transport of Bioanalytes in Digital Microfluidics

Digital microfluidics (DMF), a technique for manipulation of droplets, is a promising alternative for the development of &#8220;lab-on-a-chip&#8221; platforms. Often, droplet motion relies on the wetting of a surface, directly associated with the application of an electric field; surface interactions, however, make motion dependent on droplet contents, limiting the breadth of applications of the technique.
Some alternatives have been presented to minimize this dependence. However, they rely on the addition of extra chemical species to the droplet or its surroundings, which could potentially interact with droplet moieties. Addressing this challenge, our group recently developed Field-DW devices to allow the transport of cells and proteins in DMF, without extra additives.
Here, the protocol for device fabrication and operation is provided, including the electronic interface for motion control. We also continue the studies with the devices, showing that multicellular, relatively large, model organisms can also be transported, arguably unaffected by the electric fields required for device operation.

The protocol for fabrication and operation of field dewetting devices (Field-DW) is described, as well as the preliminary studies of the effects of electric fields on droplet contents.

الاستفادة من انخفاض التفاعل الرذاذ على سطح لتحسين نقل Bioanalytes في علم الموائع الدقيق الرقمي

Digital microfluidics (DMF), a technique for manipulation of droplets, is a promising alternative for the development of &#8220;lab-on-a-chip&#8221; ...

Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual vortices is necessary in order to study how vortices interact with each other, with the lattice, and with other magnetic objects. Here, we present a protocol for vortex manipulation in thin superconducting films by local contact, without applying current or magnetic field. Vortices are imaged using a scanning superconducting quantum interference device (SQUID), and vertical stress is applied to the sample by pushing the tip of a silicon chip into the sample, using a piezoelectric element. Vortices are moved by tapping the sample or sweeping it with the silicon tip. Our method allows for effective manipulation of individual vortices, without damaging the film or affecting its topography. We demonstrate how vortices were relocated to distances of up to 0.8 mm. The vortices remained stable at their new location up to five days. With this method, we can control vortices and move them to form complex configurations. This technique for vortex manipulation could also be implemented in applications such as vortex based logic devices.

We present a protocol for manipulation of individual vortices in thin superconducting films, using local mechanical contact. The method does not include applying current, magnetic field or additional fabrication steps.

مسح دراسة الحبار من التلاعب دوامة من الاتصال المحلي

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials such as organo-lead halide perovskites is presented. The perovskite film thickness and absorption coefficient are initially characterized by profilometry and UV-VIS absorption spectroscopy. Calibration of both laser power and cavity sensitivity is described in detail. A protocol for performing Flash-photolysis Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) experiments, a non-contact method of determining the conductivity of a material, is presented. A process for identifying the real and imaginary components of the complex conductivity by performing TRMC as a function of microwave frequency is given. Charge carrier dynamics are determined under different excitation regimes (including both power and wavelength). Techniques for distinguishing between direct and trap-mediated decay processes are presented and discussed. Results are modelled and interpreted with reference to a general kinetic model of photoinduced charge carriers in a semiconductor. The techniques described are applicable to a wide range of optoelectronic materials, including organic and inorganic photovoltaic materials, nanoparticles, and conducting/semiconducting thin films.

A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.

إعادة التركيب حيوية في الأغشية الرقيقة المواد الضوئية عن طريق وحلها الوقت ميكروويف التوصيل

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer coefficient as a function of the liquid flow rate in a transparent pipe. With certain amendments, the approach is extended to gas-liquid flows, with a particular emphasis on the effect of a single elongated (Taylor) air bubble on heat transfer enhancement. A non-invasive thermography technique is applied to measure the instantaneous temperature of a thin metal foil heated electrically. The foil is glued to cover a narrow slot cut in the pipe. The thermal inertia of the foil is small enough to detect the variation in the instantaneous foil temperature. The test section can be moved along the pipe and is long enough to cover a considerable part of the growing thermal boundary layer.
At the beginning of each experimental run, a steady state with a constant water flow rate and heat flux to the foil is attained and serves as the reference. The Taylor bubble is then injected into the pipe. The heat transfer coefficient variations due to the passage of a Taylor bubble propagating in a vertical pipe is measured as function of the distance of the measuring point from the bottom of the moving Taylor bubble. Thus, the results represent the local heat transfer coefficients. Multiple independent runs preformed under identical conditions allow accumulating sufficient data to calculate reliable ensemble-averaged results on the transient convective heat transfer. In order to perform this in a frame of reference moving with the bubble, the location of the bubble along the pipe has to be known at all times. Detailed description of measurements of the length and of the translational velocity of the Taylor bubbles by optical probes is presented.

This manuscript describes methods aimed at measuring the local instantaneous convective heat transfer coefficients in a single or two-phase pipe flow. A simple optical method to determine the length and the propagation velocity of an elongated (Taylor) air bubble moving at a constant velocity is also presented.

قياسات لنقل الحرارة الحمل الحراري لحظية المحلية في أنبوب--تدفق واحد ومرحلتين

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer ...

Measuring Magnetically-Tuned Ferroelectric Polarization in Liquid Crystals

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due to their potential applications for future device technologies such as sensors and storage. However, conventional approaches, which usually utilize materials containing magnetic metal ions (or radicals), have a major problem: only a few materials have been found to show the coupling phenomena at room temperature. Recently, we proposed a new approach to achieve room-temperature magnetoelectrics. In contrast to conventional approaches, our alternative proposal focuses on a completely different material, a &#34;liquid crystal&#34;, free from magnetic metal ions. In such liquid crystals, a magnetic field can be utilized to control the orientational state of constituent molecules and the corresponding electric polarization through magnetic anisotropy of the molecules; it is an unprecedented mechanism of the magnetoelectric effect. In this context, this paper provides a protocol to measure ferroelectric properties induced by a magnetic field, that is, the direct magnetoelectric effect, in a liquid crystal. With the method detailed here, we successfully detected magnetically-tuned electric polarization in the chiral smectic C phase of a liquid crystal at room temperature. Taken together with the flexibility of constituent molecules, which directly affects the magnetoelectric responses, the introduced method will serve to allow liquid crystal cells to acquire more functions as room-temperature magnetoelectrics and associated optical materials.

In this report, we present a protocol to examine direct magnetoelectric effects, i.e., induction of ferroelectric polarization by applying magnetic fields, in liquid crystals. This protocol provides a unique approach, supported by the softness of liquid crystals, to achieve room-temperature magnetoelectrics.

قياس الاستقطاب Ferroelectric ضبطها مغناطيسيا بالبلورات السائلة

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due ...

Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, with its peak locomotion speed reaching 150 cm/s. First of all, we observed the microstructure and hierarchy of water strider legs using the scanning electron microscope. On the basis of the observed morphology of the legs, a theoretical model of the detachment from water surface was established, which explained water striders' capability to slide on water surface effortlessly in terms of energy reduction. Secondly, a dynamic force measurement system was devised using the PVDF film sensor with excellent sensitivity, which could detect the whole interaction process. Subsequently, a single leg in contact with water was pulled upward at different speeds, and the adhesion force was measured at the same time. The results of the departing experiment suggested a deep understanding of the fast jumping of water striders.

The protocol here is dedicated to investigating the free and quick maneuvering of water strider on water surface. The protocol includes observing the microstructure of legs and measuring the adhesion force when departing from water surface at different speeds.

قياس قوة دينامية تصرف المحطة المياه ستردير القفز إلى أعلى من أجهزة الاستشعار الفيلم PVDF

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, ...

Full-field Strain Measurements for Microstructurally Small Fatigue Crack Propagation Using Digital Image Correlation Method

A novel measurement approach is used to reveal the cumulative deformation field at a sub-grain level and to study the influence of microstructure on the growth of microstructurally small fatigue cracks. The proposed strain field analysis methodology is based on the use of a unique pattering technique with a characteristic speckle size of approximately 10 &#181;m. The developed methodology is applied to study the small fatigue crack behavior in body centered cubic (bcc) Fe-Cr ferritic stainless steel with a relatively large grain size allowing a high spatial measurement accuracy at the sub-grain level. This methodology allows the measurement of small fatigue crack growth retardation events and associated intermittent shear strain localization zones ahead of the crack tip. In addition, this can be correlated with the grain orientation and size. Thus, the developed methodology can provide a deeper fundamental understanding of the small fatigue crack growth behavior, required for the development of robust theoretical models for the small fatigue crack&#160;propagation in polycrystalline materials.

Microstructurally small fatigue crack growth behavior is investigated using a novel methodological approach combining crack growth rate measurement and strain-field analysis to reveal the cumulative deformation field at sub-grain level.

قياسات سلالة المجال الكامل للتعب ميكروستروكتورالي الصغيرة الكراك نشر استخدام أسلوب ارتباط الصورة الرقمية

A novel measurement approach is used to reveal the cumulative deformation field at a sub-grain level and to study the influence of microstructure on the ...

Intermediate Strain Rate Material Characterization with Digital Image Correlation

The mechanical response of a material under dynamic load is typically different than its behavior under static conditions; therefore, the common quasistatic equipment and procedures used for material characterization are not applicable for materials under dynamic loads. The dynamic response of a material depends on its deformation rate and is broadly categorized into high (i.e., greater than 200/s), intermediate (i.e., 10&#8722;200/s) and low strain rate regimes (i.e., below 10/s). Each of these regimes calls for specific facilities and testing protocols to ensure the reliability of the acquired data. Due to the limited access to high-speed servo-hydraulic facilities and validated testing protocols, there is a noticeable gap in the results at the intermediate strain rate. The current manuscript presents a validated protocol for the characterization of different materials at these intermediate strain rates. Strain gauge instrumentation and digital image correlation protocols are also included as complimentary modules to extract the utmost level of detailed data from every single test. Examples of raw data, obtained from a variety of materials and test setups (e.g., tensile and shear) is presented and the analysis procedure used to process the output data is described. Finally, the challenges of dynamic characterization using the current protocol, along with the limitations of the facility and methods of overcoming potential problems are discussed.

Here we present a methodology for the dynamic characterization of tensile specimens at intermediate strain rates using a high-speed servo-hydraulic load frame. Procedures for strain gauge instrumentation and analysis, as well as for digital image correlation strain measurements on the specimens, are also defined.