Correlación de imagen digital (DIC) es una técnica óptica avanzada utilizada para medir deformaciones superficiales y cepas en materiales. En el campo de la biomecánica, especialmente en la prueba de tejidos duros como huesos, dientes y tejidos mineralizados, DIC se ha convertido en una herramienta invaluable para entender cómo estas estructuras naturales responden a las fuerzas mecánicas.

Principios de Correlación de Imagen Digital

La Correlación de imagen digital es un subconjunto de fotomecánica que se basa en el seguimiento del desplazamiento de un patrón aleatorio (papel de la pescuela) aplicado a la superficie de un espécimen. El método se basa en comparar una imagen de referencia (tomada antes de cargar) con una serie de imágenes deformadas capturadas durante la carga. Un algoritmo de correlación divide la imagen de referencia en pequeños subconjuntos (por ejemplo, 15×15 píxeles normales) y se ajustan

Patrón de la peluquería

La precisión del DIC depende en gran medida de la calidad del patrón de especímenes. El patrón debe exhibir contraste alto, isotropía] (distribución de características iguales en todas las direcciones), y una naturaleza de la rayadura] para proporcionar un área de mapeo única.

Adquisición de imagen

Para las pruebas cuasi estáticas, una cámara es suficiente (2D DIC), mientras que DIC 3D (stereo) usa dos cámaras para medir desplazamientos fuera de plano. La iluminación debe ser uniforme y estable; las matrizs LED o las luces de fibra óptica con difusores son comunes. La tasa de franqueo y la exposición deben ajustarse para evitar el desdibujo de movimiento durante la carga dinámica.

Algoritmo de correlación y cálculo de estrado

El software moderno de DLTε (por ejemplo, Soluciones relacionadas con Cortamp) VIC‐2D, LaVision DaVis, o paquetes de código abierto como NCorr) utiliza la interpolación sub-pixel para lograr la resolución de desplazamiento a 0.01 píxeles.El tensor de tensión se computa con los gradientes de desplazamiento utilizando formalismos de pequeño o finito, dependiendo de la magnitud de la deformación[LT]

Aplicación en pruebas de tejido duro

Los tejidos duros son materiales compuestos con estructura jerárquica, desde la nanoescala de colágeno-hidroxiapatita hasta la macro-geometría de huesos enteros o dientes. DIC proporciona un puente entre pruebas mecánicas y análisis microestructurales, permitiendo a los investigadores vincular los modos de falla a la arquitectura de tejido.

Hueso cortical

El hueso cortical (compacto) es la capa externa densa de huesos largos. El DIC se ha utilizado ampliamente para estudiar la dureza de las fracturas, incluyendo el papel de la microestructura osteonal en la deflexión de las grietas. Por ejemplo, en pruebas de detección de especímenes femorales humanos, los mapas de cepación DIC revelan cómo las grietas propagantes interactúan con las líneas de cemento y los límites de osteo.

Hueso Trabecular (canceloso)

El hueso trabecular es una red porosa ( densidad relativa 5–50%) ubicada en los extremos de los huesos largos y dentro de las vértebras. La prueba mecánica tradicional mide rigidez y fuerza de la masa, pero DIC en la superficie de los especímenes trabeculares puede detectar el pandeo localizado y la trabecula cola colapsada. Por ejemplo, por imágenes de una muestra de trabecular cúbica durante la compresión, DIC revela que la tensión es máxima

Pruebas de huesos enteros

A nivel de órgano, DIC puede ser aplicado a la superficie de los huesos intactos (por ejemplo, fémur, tibia) para analizar la distribución de la cepa bajo cargas fisiológicamente relevantes. La curvatura de la superficie ósea requiere DIC 3D (parrilla de cámara estereo).Los investigadores han utilizado este enfoque para rastrear patrones de cepa durante la carga de caminar simulado o de impacto, confirmando que las zonas de tensión altas corresponden a lugares de fractura vistos en estudios clínicos.

Tissues dentales

Los dientes están compuestos de esmalte (alta mineralizado, frágil), dentina (menos mineralizados, más resistentes) y cemento. DIC ha sido empleado para estudiar la propagación de crack en esmalte bajo carga axial y lateral, revelando cómo la estructura de varilla interrodida desvía las grietas. En dentina, los mapas de cepa DIC muestran una transición gradual de los materiales elásticos a la deformación permanente en el diseño dentinuatina-al.

Otros Tissues duros

Las aplicaciones también incluyen pruebas de hormiguero (un hueso rápidamente mineralizado con alta resistencia), huesos de oído de ballena (denso y hervidor), y calcificaciones patológicas (por ejemplo, placas arteriales). En cada caso, DIC proporciona un entendimiento mecanístico que informa tanto de la biología básica como de los tratamientos clínicos.

Ventajas sobre técnicas tradicionales

Los métodos tradicionales para la medición de la tensión de tejidos duros incluyen medidores de tensión resistivos, extensometros y transformadores diferenciales lineales (LVDTs). Mientras que maduras, estos enfoques sufren de varias limitaciones que DIC supera.

  • Full‐field vs. point-wise:] Un medidor de tensión proporciona datos sólo en una sola ubicación, mientras que los mapas DIC se colan sobre toda la superficie visible, capturando gradientes y localizaciones.
  • Naturaleza no convencional: Los medidores de estrado requieren una unión adhesiva que puede alterar la rigidez o el contenido de humedad local, mientras que el DIC no es invasivo.
  • ■ Secuencia espacial: se realiza/fuerte contacto DIC puede resolver variaciones de tensión en la microescala (por ejemplo, se realizó 10 μm), superando la longitud de medidor de una medida típica (3-6 mm).
  • Capacidad de la dinamía: Las cámaras de alta velocidad permiten a la DIC capturar ondas de tensión durante los impactos (por ejemplo, pruebas de barras de presión de bajado o Split‐Hopkinson) a tasas de marco superiores a 100.000 fps.
  • Facilidad de aplicación a superficies irregulares: DIC trabaja en contornos curvados o anatómicamente complejos, siempre que se pueda aplicar un patrón de especímenes.

Consideraciones experimentales para los tejidos duros

La realización de DIC en tejidos duros presenta desafíos únicos relacionados con la humedad, la preparación de especímenes y la relevancia fisiológica.

Moisture Management

El hueso seco se vuelve significativamente más rígido y más frágil. Las soluciones incluyen especímenes de envoltura en gasa remojada salina, recubrimiento con aceite mineral o pruebas de funcionamiento en un baño de fluido controlado por la temperatura. Para entornos húmedos, pinturas impermeables (por ejemplo, basadas en vinilo) o especímenes de cerámica estabilizados se recomienda también para asegurar la adherencia del patrón.

Preparación de especímenes y calidad de superficie

Los tejidos duros suelen tener texturas superficiales irregulares (por ejemplo, superficies de corte de hueso trabecular). Para aplicar un patrón de espectro de alta calidad, la superficie puede ser pulida ligeramente (pero no excesivamente, para evitar daños) o limpiada con etanol. Para el hueso entero, la superficie periosteal se puede utilizar sin extracción si la capa fibrosa es delgada. En algunos casos, la textura natural de la porosidad ósea o capa de dientes a menudo pueden servir

Calibración y escalado

2D DIC requiere que el plano sensor de cámara sea paralelo a la superficie de especímenes. La desalineación provoca artefactos fuera de plano que cepa mimica. Para superficies óseas curvas, DIC 3D con calibración estereoscópica es obligatorio. Los objetivos de calibración (por ejemplo, rejillas de puntos) se visualizan para determinar los parámetros de la cámara y la posición relativa de las dos cámaras.

Condiciones de carga

Las pruebas de tejido duro pueden ser cuasi estáticas (0.1–1 mm/min velocidad de la cabeza cruzada) o dinámicas (1–10 m/s). Para las pruebas dinámicas, se utiliza la sincronización entre la célula de carga, el actuador y el disparador de la cámara. Se utilizan señales de sincronización externas digitales (por ejemplo, pulsos TTL).

Análisis de datos e interpretación

Los datos de DIC postprocesamiento producen mapas de cepa que deben interpretarse en el contexto de la estructura del tejido y los mecanismos de falla.

Mapping and Localization

Una de las mayores fortalezas de DIC es identificar regiones de concentración de cepa que preceden a la fractura. Por ejemplo, en una prueba de doblez de tres puntos de un coupon óseo, la trama de contorno de cepa de DIC mostrará una banda estrecha de alta tensión de tracción en el futuro lugar de grieta. Esta localización de cepa puede cuantificarse mediante la trama de cepa a lo largo de una línea o computación estándar de cepación sobre todo el campo.

Parámetros Mecánicos de Fracture

De los datos de desplazamiento de DIC, se puede calcular el desplazamiento de apertura de la boca de grieta (CMOD) y el J-integral. Al seguir el campo de desplazamiento alrededor de una punta de grieta, el factor de intensidad de estrés (K) puede ser respaldado utilizando el ajuste asintotico. Estas mediciones son particularmente valiosas para estudiar los mecanismos de endurecimiento en el hueso, como el micro-cracking o grietapa por fibras colágenas.

Propiedades materiales heterogéneas

Los tejidos duros no son homogéneos. Los mapas de cepa DIC en las variaciones de la tensión de la muestra de hueso trabecular que se correlacionan con la fracción del volumen óseo local (BV/TV).Por co-registrando los resultados de DIC con imágenes micro-CT, los investigadores pueden mapear variaciones de módulos y validar modelos constitutivos.

Desafíos y limitaciones

A pesar de su poder, DIC tiene varias limitaciones que los practicantes deben reconocer.

  • Ex-of-plane motion artefacts: En 2D DIC, cualquier movimiento perpendicular a la superficie causa falsa tensión. Usando DIC 3D resuelve esto pero añade complejidad.
  • ]Condicion de superficie: La alta reflectividad (por ejemplo, esmalte pulido) o la porosidad extrema (por ejemplo, hueso trabecular de alta densidad) puede degradar la calidad de correlación, lo que lleva a datos ruidosos.
  • Costo computacional: La serie de imágenes de alta resolución requiere un tiempo significativo de memoria y procesamiento (la puntuación puede tardar horas en los conjuntos de datos grandes).
  • Resolución de entrenamiento:] La DIC suele lograr resoluciones de cepa de 50–300 μ, que es suficiente para el hueso (deformación de fractura alrededor del 1–3%), pero no puede capturar cepas elásticas sutiles en materiales muy rígidos (por ejemplo, esmalte denso).
  • ]Temperatura y sensibilidad ambiental: Las fluctuaciones en la iluminación o la temperatura provocan ruido térmico. Realizar pruebas en un entorno controlado (por ejemplo, incubador de 37°C) es recomendable pero no siempre factible.

Future Directions

Las capacidades de DIC para la prueba de tejidos duros continúan expandiéndose con mejoras tecnológicas y algorítmicas.

Correlación de imagen digital 3D (Stereo DIC)

El Stereo DIC se está convirtiendo en un estándar para pruebas de superficies integrales y curvas. Los avances en estereocameras comerciales (por ejemplo, cámaras duales sincronizadas con sensores de alta resolución) permiten desplazamiento de superficie 3D de campo completo y medición de tensión. El trabajo futuro puede integrar el equipo de música estéreo con micro-CT in situ para capturar ambas cepas de superficie y arquitectura interna simultáneamente.

DIC de alta velocidad

DIC de alta velocidad (hasta 1 millón de fps) permite estudiar el impacto y la carga de explosión en el hueso, relevante para lesiones balísticas o accidentes de vehículos. Coupling DIC con correlación de volumen digital (DVC) proporciona campos de tensión interna 3D de escáneres CT, aunque actualmente limitados a pequeños especímenes debido a la dosis de radiación y tiempo de escaneo.

Integración con el análisis de elementos finitos (FEA)

La validación de los modelos FEA es una aplicación natural. Los mapas experimentales de cepa de DIC se comparan con las predicciones de modelos, y las discrepancias se utilizan para refinar los modelos de materiales. Este proceso iterativo está acelerando el desarrollo de modelos de hueso y diente más precisos para la planificación quirúrgica y el diseño de implantes.

Mejoras del aprendizaje de la máquina

Se está aplicando el aprendizaje profundo para mejorar la velocidad de correlación y reducir el ruido. Las redes neuronales pueden predecir campos de desplazamiento de pares de imagen, superando potencialmente la correlación tradicional de subconjuntos. Los primeros resultados indican mejoras en la resolución de cepas y el tiempo de procesamiento, lo que podría hacer que el DIC sea más accesible para aplicaciones clínicas (por ejemplo, monitoreo de cepas intraoperatorias).

Conclusión

La Correlación de Imagen Digital ha madurado en una herramienta versátil y potente para la caracterización mecánica de tejidos duros. Su capacidad para ofrecer mediciones de cepa totalmente activas y no contactos con alta resolución ha profundizado nuestra comprensión de la biomecánica ósea y dental, desde mecanismos de fractura fundamentales hasta el análisis de fallos clínicos. Mientras que los desafíos relacionados con el control ambiental, la preparación de superficies y las exigencias computacionales permanecen, las innovaciones en tecnología de cámara, los algoritmos de correlación aumentan cada vez más

Para más lectura, vea la [examen de los principios de la DIC de Correlated Solutions , la ] sección de promoción de la DIC de ScienceDirect, y un recurso educativo integral de la Universidad de Carolina del Sur.