Dans le domaine de la biomécanique, en particulier dans le cadre des tests sur les tissus durs tels que les os, les dents et les tissus minéralisés, DIC est devenu un outil inestimable pour comprendre comment ces structures naturelles réagissent aux forces mécaniques. En fournissant des mesures de déformations sans contact à champ complet avec une haute résolution spatiale, DIC permet aux chercheurs de saisir les gradients de déformations locales, l'initiation de fissures et les mécanismes de défaillance que les capteurs pointus traditionnels ne peuvent détecter. Cet article fournit une exploration approfondie des principes DIC, de ses applications spécifiques dans le domaine des tests de tissus durs, des considérations expérimentales, des stratégies d'analyse des données et de l'avenir évolutif de la technique.

Principes de corrélation de l'image numérique

La corrélation numérique est un sous-ensemble de photomécanique qui repose sur le suivi du déplacement d'un motif aléatoire (modèle de speckle) appliqué à la surface d'un spécimen. La méthode est basée sur la comparaison d'une image de référence (prise avant chargement) avec une série d'images déformées capturées pendant le chargement. Un algorithme de corrélation divise l'image de référence en petits sous-ensembles (p. ex. 15×15 pixels) et recherche les mêmes sous-ensembles dans les images déformées, en utilisant un critère mathématique comme la corrélation croisée normalisée ou la correspondance des moindres carrés. Le champ de déplacement résultant est ensuite numériquement différencié pour calculer les cartes de déformation.

Modèle de la mouche

La précision du DIC dépend fortement de la qualité du motif de la tache. Le motif doit présenter un contraste élevé, isotropie[ (distribution égale des caractéristiques dans toutes les directions), et une nature randome[ pour fournir une zone de cartographie unique. Pour les tissus durs, les méthodes d'application courantes comprennent la pulvérisation d'airbrush de peinture noire et blanche, la gravure laser ou même l'exploitation de caractéristiques de surface naturelles (p. ex., pores osseux trabéculaires). La taille de la tache devrait être d'environ 3–5 pixels dans l'image pour optimiser la corrélation.

Acquisition d'images

Pour les essais quasi statiques, une seule caméra est suffisante (2D DIC), tandis que la 3D (stério) DIC utilise deux caméras pour mesurer les déplacements hors plan. L'éclairage doit être uniforme et stable; les panneaux LED ou les lumières fibre-optiques avec diffuseurs sont fréquents. Le taux de trame et l'exposition doivent être ajustés pour éviter le flou de mouvement pendant la charge dynamique. Pour les tissus durs, une configuration typique implique une machine d'essai universelle avec une chambre acrylique transparente pour maintenir l'hydratation (p. ex., goutte d'eau salée ou bain tissulaire).

Calcul de l'algorithme et de la souche de corrélation

Le logiciel DIC moderne (p. ex. Solutions Corresponsables VIC-2D, LaVision DaVis ou paquets open-source comme NCorr) utilise une interpolation sous-pixel pour obtenir une résolution de déplacement jusqu'à 0,01 pixels. Le tenseur de déformation est calculé à partir de gradients de déplacement à l'aide de formalismes de faible déformation ou de déformation finie, selon l'ampleur de la déformation. Les mesures de déformation courantes comprennent εxx, εy[, εxy et les souches principales.

Application dans les essais de tissus durs

Les tissus durs sont des matériaux composites à structure hiérarchique, de la nanoéchelle collagène-hydroxyapatite à la macrogéométrie des os ou des dents entiers. DIC fournit un pont entre les essais mécaniques et l'analyse microstructurelle, permettant aux chercheurs de lier les modes de défaillance à l'architecture tissulaire.

Oignon cortical

L'os cortical (compact) est la couche externe dense des os longs. Les cartes de souches de DIC ont été utilisées de façon intensive pour étudier la résistance à la fracture, y compris le rôle de la microstructure ostéo-encéphalique dans la déformation des fissures. Par exemple, dans les essais de entaille de spécimens fémoraux humains, les cartes de souches de DIC révèlent comment les fissures de propagation interagissent avec les lignes de ciment et les limites de l'ostéon.

Os trabéculaires (cancelleux)

L'os trabéculaire est un réseau poreux (densité relative 5 à 50%) situé aux extrémités des os longs et à l'intérieur des vertèbres. Les essais mécaniques traditionnels mesurent la rigidité et la résistance en vrac, mais le CID à la surface des spécimens trabéculaires peut détecter des sciages localisés et des trabecules effondrés. Par exemple, en imagerie la surface d'un échantillon trabéculaire cube pendant la compression, le CID révèle que la souche est très hétérogène, avec des maxima se produisant aux jonctions de la tige à la plaque.

Essais sur os entiers

Au niveau des organes, on peut appliquer le CID à la surface des os intacts (p. ex. fémur, tibia) pour analyser la distribution des souches sous des charges physiologiques pertinentes. La courbure de la surface osseuse nécessite le CID 3D (paire de caméras stéréo). Les chercheurs ont utilisé cette approche pour suivre les profils de déformation lors de la marche simulée ou de la charge d'impact, confirmant que les zones de déformation élevée correspondent aux emplacements de fractures observés dans les études cliniques.

Tissus dentaires

Les dents sont composées d'émail (fortement minéralisé, fragile), de dentine (moins minéralisé, plus résistant) et de cimentum. DIC a été employé pour étudier la propagation des fissures dans l'émail sous charge axiale et latérale, révélant comment la structure de l'entre-tige dévie les fissures.

Autres tissus durs

Les applications comprennent aussi l'analyse des bois (os rapidement minéralisés à haute ténacité), des ossements d'oreilles de baleines (denses et cassantes) et des calcifications pathologiques (p. ex. plaques artérielles). Dans chaque cas, le DIC fournit une compréhension mécaniste qui éclaire à la fois la biologie fondamentale et les traitements cliniques.

Avantages sur les techniques traditionnelles

Les méthodes traditionnelles de mesure des déformations des tissus durs comprennent les jauges de résistance, les extensomètres et les transformateurs différentiels linéaires à variables (LVDT).

  • Champ complet vs point-wise: Un jauge de déformation ne fournit des données qu'à un seul endroit, tandis que le CID cartographie la déformation sur toute la surface visible, captant les gradients et les localisations.
  • Nature non-contact: Les jauges de déformation nécessitent une collage adhésive qui peut modifier la rigidité ou la teneur en eau locale, alors que le CID n'est pas invasif.
  • Résolution spatiale : Le CID peut résoudre les variations de déformation à l'échelle micrométrique (p. ex. < 10 μm), dépassant de loin la longueur de la jauge d'un gabarit de déformation typique (3–6 mm).
  • Capacité dynamique: Les caméras à grande vitesse permettent à DIC de capter les ondes de déformation pendant les impacts (p. ex., essais de la barre de pression de la tondeuse ou de la bifurcation) à des vitesses de trame supérieures à 100 000 fps.
  • Sacilité d'application sur les surfaces irrégulières:[ Le DIC travaille sur des contours incurvés ou anatomiquement complexes, à condition qu'un motif de speckle puisse être appliqué.

Considérations expérimentales pour les tissus durs

La conduite du CID sur les tissus durs présente des défis uniques liés à l'humidité, à la préparation des spécimens et à leur pertinence physiologique.

Gestion de l'humidité

Les os et les dents doivent rester hydratés pour maintenir leurs propriétés mécaniques. L'os sec devient nettement plus rigide et plus fragile. Les solutions comprennent des échantillons d'emballage dans des gazes salines, un revêtement avec de l'huile minérale ou des tests dans un bain fluide à température contrôlée.

Préparation des spécimens et qualité de la surface

Les tissus durs ont souvent des textures de surface irrégulières (p. ex., surfaces de coupe osseuse trabéculaires). Pour appliquer un motif de speckle de haute qualité, la surface peut être légèrement polie (mais pas trop, pour éviter les dommages) ou nettoyée avec de l'éthanol. Pour l'os entier, la surface périostée peut être utilisée sans enlèvement si la couche fibreuse est mince.

Étalonnage et calibrage

Le mauvais alignement provoque des objets de mouvement hors plan qui imitent les contraintes. Pour les surfaces osseuses courbes, le DIC 3D avec calibrage stéréoscopique est obligatoire. Les cibles d'étalonnage (p. ex. grilles de points) sont représentées pour déterminer les paramètres de la caméra et la position relative des deux caméras. Le facteur d'échelle (p. ex. microns par pixel) qui en résulte doit être précis à ±1 % pour les erreurs de déformation inférieures à 50 μ.

Conditions de chargement

Les tests sur tissus durs peuvent être quasi statiques (vitesse transversale de 0,1 à 1 mm/min) ou dynamiques (1 à 10 m/s). Pour les essais dynamiques, la synchronisation entre la cellule de charge, le actionneur et le déclencheur de la caméra est critique.

Analyse et interprétation des données

Les données de CID après le traitement fournissent des cartes de déformation qui doivent être interprétées dans le contexte de la structure tissulaire et des mécanismes de défaillance.

Cartographie des souches et localisation

L'un des plus grands points forts du CID est d'identifier les régions de concentration de la souche qui précèdent la fracture. Par exemple, lors d'un essai de flexion en trois points d'un coupon osseux, le tracé du contour de la souche du CID montrera une bande étroite de tension élevée à l'emplacement futur de la fissure.

Paramètres mécaniques de fracture

On peut estimer le déplacement de la bouche de fissure (CMOD) et le J-integral. En suivant le champ de déplacement autour d'une pointe de fissure, on peut éloigner le facteur d'intensité de contrainte (K) en utilisant un raccord asymptotique. Ces mesures sont particulièrement utiles pour étudier les mécanismes de durcissement dans les os, comme la micro-craquage ou le pontage de fissure par des fibres de collagène.

Propriétés des matériaux hétérogéniques

Les cartes des souches de DIC dans l'os trabéculaire montrent des variations de souches qui sont corrélées avec la fraction locale du volume osseux (BV/TV). En co-registrant les résultats de DIC avec des images micro-CT, les chercheurs peuvent cartographier les variations de modules et valider les modèles constitutifs.

Défis et limites

Malgré son pouvoir, DIC a plusieurs limites que les praticiens doivent reconnaître.

  • Artefacts de mouvement hors plan: Dans 2D DIC, tout mouvement perpendiculaire à la surface provoque une fausse déformation. L'utilisation de 3D DIC résout cela mais ajoute de la complexité.
  • État de la surface : Une haute réflectivité (p. ex., émail poli) ou une porosité extrême (p. ex., os trabéculaire à forte porosité) peut dégrader la qualité de la corrélation, ce qui entraîne des données bruyantes.
  • Coût de calcul:[ Les séries d'images à haute résolution nécessitent un temps de mémoire et de traitement important (la corrélation peut prendre des heures pour les gros ensembles de données).
  • Résolution de la déformation: DIC obtient généralement des résolutions de déformation de 50 à 300 μ, ce qui est suffisant pour les os (souches de fracture autour de 1 à 3 %), mais peut ne pas capturer de subtiles souches élastiques dans des matériaux très rigides (p. ex., émail dense).
  • Sensibilité à la température et à l'environnement:[ Les fluctuations de l'éclairage ou de la température provoquent du bruit thermique.

Orientations futures

Les capacités du CID pour les tests de tissus durs continuent de s'étendre avec des améliorations technologiques et algorithmiques.

Corrélation d'images numériques 3D (Stereo DIC)

Les avancées dans les stéréocaméras commerciaux (p. ex., caméras doubles synchronisées avec capteurs haute résolution) permettent le déplacement de surface 3D en plein champ et la mesure des contraintes. Les travaux futurs peuvent intégrer les stéréo-DIC avec des micro-CT in situ pour capturer simultanément les souches de surface et l'architecture interne.

CID haute vitesse

Le CID à grande vitesse (jusqu'à 1 million de fps) permet d'étudier l'impact et la charge de l'explosion sur les os, qui sont pertinents pour les blessures balistiques ou les accidents de véhicules.

Intégration avec l'analyse des éléments finis (AFE)

La validation des modèles FEA est une application naturelle. Les cartes expérimentales des souches de DIC sont comparées aux prédictions des modèles, et des écarts sont utilisés pour affiner les modèles de matériaux. Ce processus itératif accélère le développement de modèles os et de dents plus précis pour la planification chirurgicale et la conception d'implants.

Améliorations de l'apprentissage automatique

Les réseaux neuronaux peuvent prédire les champs de déplacement à partir des paires d'images, ce qui pourrait contourner la corrélation traditionnelle entre les sous-ensembles. Les premiers résultats indiquent des améliorations dans la résolution des déformations et le temps de traitement, ce qui pourrait rendre le CID plus accessible pour les applications cliniques (p. ex., surveillance intra-opératoire des déformations).

Conclusion

La corrélation numérique est devenue un outil polyvalent et puissant pour la caractérisation mécanique des tissus durs. Sa capacité à fournir des mesures de déformations en plein champ et sans contact avec une haute résolution a permis d'approfondir notre compréhension de la biomécanique osseuse et dentaire, des mécanismes de fracture fondamentaux à l'analyse de défaillance clinique. Bien que des défis liés au contrôle environnemental, à la préparation de surface et aux exigences informatiques demeurent, les innovations constantes de la technologie de la caméra, des algorithmes de corrélation et de l'intégration multimodale promettent d'améliorer encore son utilité.

Pour plus de détails, voir la section sur l'examen des principes du DIC de Solutions Corliées, la section sur l'ingénierie du DIC de ScienceDirect et une ressource éducative complète de l'Université de Caroline du Sud.