Digital Image Correlation (DIC) היא טכניקה אופטית מתקדמת המשמשת למדידת עיוותים וזנים על פני השטח בחומרים.בתחום הביומכניקה, במיוחד בבדיקת רקמות קשיחות כגון עצם, שיניים ורקמות מינרליות, DIC הפך כלי בלתי חוקי להבנת האופן שבו מבנים טבעיים אלה מגיבים לכוחות מכניים.

עקרונות של צילום דיגיטלי

צילום תמונה דיגיטלית הוא תת-קבוצה של photomechanics אשר מסתמכת על מעקב אחר העקירה של דפוס אקראי (תבנית ספקקל) החל על פני השטח של הדגימה.השיטה מבוססת על השוואת תמונה התייחסות (כניסה לפני טעינה) עם סדרה של תמונות מפורקות שנתפסו במהלך טעינה. A מפצה את ההתייחסות ל subs קטן (למשל, 15×15) וחיפושים באותו פיקסלים הקשורים לדימויים סטנדרטיים כגון תואמים סטנדרטיים.

תבנית ספציפית

הדיוק של DIC תלוי במידה רבה באיכות דפוס ה- speckle.התבנית חייבת להציג את ה-FLT:0 ניגודיות גבוהה FLT:1,FLT:2isotropyphFLT 3 (התכונה המאפיין הכולל למנוע אופטימיזציה לכל הכיוונים), ו-FLT:4random NatureFLT:5 לספק אזור מיפוי ייחודי, עבור רקמות קשות, שימוש ברקמות צבע משותף (כולל פיקסלים) ותכונות צבע אפורות).

צילום: Acquisition

מצלמות ברזולוציה גבוהה עם טריגר סינכרוני הן חיוניות.עבור בדיקות חד-סטטי, מצלמה אחת מספיקה (2D DIC), בעוד 3D (stereo) DIC משתמש שתי מצלמות כדי למדוד את העקירה של המטוס.אילומינינסון חייב להיות אחיד ויציב; נורות LED או סיבים אופטיים עם דיפרנים הם נפוצים.

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

[ה]תוכנות DIC (למשל, פתרונות הקשורים לפתרונות VIC-2D, LaVision DaVis, או חבילות קוד פתוח כמו NCorr) משתמשות ב- Pixel כדי להשיג את רזולוציית העקירה עד 0.01 פיקסלים.הזן בין ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יישום בדיקות קשות

רקמות קשיחות הן חומרים מורכבים עם מבנה היררכי, מן ההתנגשות-hydroxyapatite nano-scale למאקרו-גיאומטריה של עצמות שלמות או שיניים. DIC מספק גשר בין בדיקות מכניות וניתוח מבנה מיקרו-מבנה, המאפשר לחוקרים לקשר מצבי כישלונות לאדריכלות רקמות.

עצמות קדחתניות

העצם האקראית (שותף) היא השכבה החיצונית הצפופה של עצמות ארוכות.DIC שימשה באופן נרחב כדי ללמוד קשיחות שבר, כולל התפקיד של מיקרו-מבנה אוסטיאונל בסדקים.לדוגמה, בבדיקות לא ממושכות של דגימות הומניות של המין האנושי, מפות הזן DIC לחשוף כיצד להפיץ סדקים אינטראקציה עם קווי מלט וטכניקת osteon.

Trabecular (Cancellous) Bone

עצם טרבקי הוא רשת ⁇ (דחיסות יחסית 5-50%) הממוקם בקצה עצמות ארוכות ובלולה. בדיקות מכניות מסורתיות מודדות נוקשות וכוח, אבל DIC על פני השטח של דגימות טרבקי יכול לזהות את הבלוטות מקומיות והתמוטטות מסלול מוטקולה. לדוגמה, על ידי הדמיה של מדגם מעוקב במהלך דחיסה, DIC מגלה כי הוא מאוד מתוח עם מודלים מיקרוסקופיים זה, המתרחשים במודולוקסום.

בדיקה מלאה העצם

ברמת האיברים, DIC יכול להיות מיושם על פני השטח של עצמות שלמות (למשל, מטומט, tibia) לנתח הפצה מתוחה תחת עומסים רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית.השטח של משטח העצם דורש 3D DIC (זוג מצלמה סטריאו). חוקרים השתמשו בגישה זו כדי לעקוב אחר דפוסים מתוחים במהלך הליכה או השפעה מדומה, לאשר כי אזורי מתח גבוהים מתאימים למקומות שבהם ראו מחקרים קליניים.

« « « « « « « « « ⁇

שיניים מורכבות מ-enamel (ממינרלים מאוד, מתפתלים), דנטין (פחות מינרלים, קשוח יותר), ומלטום DIC כבר הועסק כדי לחקור את ההתפשטות ב- enamel תחת טעינה אקסקלית ומאוחר יותר, חושף כיצד המבנה של המוט-interrod deflects סדקים. in dentin, DIC מתוח מראה מעבר הדרגתי מעיוות קבוע במערכות צומת-אטניות של עיצוב שיניים.

עוד חתומות קשות

יישומים כוללים גם בדיקות של אנטר (עצם מינרלית במהירות עם קשיחות גבוהה), עצמות אוזניים לוויתן (דense ו- sling), ו calcifications פתולוגי (למשל, לוחות אמנותיים) בכל מקרה, DIC מספק הבנה מכניסטית המודיעה הן ביולוגיה בסיסית והן טיפולים קליניים.

יתרונות על טכניקות מסורתיות

שיטות מסורתיות למדידת מתח קשה כוללים מדדי זנים התנגדות, extensometers, ואת משתנים לינארי משתנים שונים משתנים (LVDTs) בעוד בוגר, גישות אלה סובלים ממספר מגבלות כי DIC מתגבר.

  • (FLT:0) שדה מלא לעומת נקודה-wise: ⁇ F1) מדד זן מספק נתונים רק במיקום אחד, בעוד DIC ממפה מתוח על פני השטח הנראה לעין כולה, לכידת ⁇ s ו Localizations.
  • (ב) [15] אין קשר לטבע: 1FLT:1 Strain Measures דורש חיבור דבק שעשוי לשנות נוקשות מקומית או תכולת לחות, בעוד DIC אינו פולשני.
  • <חזק>החלטת פתרון: DIC יכול לפתור וריאציות זנים במיקרו-סול (למשל, < 10 מיקרומטר), הרבה מעל אורך המד של מדד זן טיפוסי (3-6 מ"מ).
  • (FLT:0) יכולות דינמיות: FLT:1, מצלמות מהירות גבוהה מאפשרות DIC ללכוד גלי זנים במהלך השפעות (למשל, ירידה או פיצול-Hopkinson לחץ בדיקות) בשיעורי מסגרת מעל 100,000 fps.
  • (ב) [15] ,0) ,(א) ,התבקשה על פני השטח הלא סדירים: ⁇ 1) DIC פועל על קוטור מורכב מעוקל או אנטומי, בתנאי שניתן ליישם דפוס ספירה.

שיקולים ניסיוניים ל-Hard Tissues

ביצוע DIC על רקמות קשות מציג אתגרים ייחודיים הקשורים לחות, הכנה דגימות, רלוונטיות פיזיולוגית.

ניהול Moisture

עצמות ושיניים חייבות להישאר מיובשות כדי לשמור על תכונות מכניות.עצמות יבשה הופכת נוקשה משמעותית יותר ויותר פתרונות כוללים דגימות עטיפה ב gauze מלוח-soaked, ציפוי עם שמן מינרלים, או ביצוע בדיקות באמבטיה נוזלית מבוקרת טמפרטורה.עבור סביבות רטובות, צבעי מים עמידים (למשל, ויניל מבוססי gauzeles) או מייצבים הם מומלץ להבטיח דפוסים ודבקות המצלמה חייב להיות מוגן.

המונחים: Surface Quality

רקמות קשות לעתים קרובות יש מרקמים משטחים לא סדירים (למשל, משטחים חיתוך עצמות טרבקיים) כדי ליישם דפוס באיכות גבוהה של speckle, פני השטח עשויים להיות מלוטשים (אך לא מוגזם, כדי להימנע נזק) או לנקות עם אלנול. עבור העצם כולה, את פני השטח היסטאלי ניתן להשתמש ללא הסרת אם שכבת fibrous הוא דק. במקרים מסוימים, מרקם טבעי, מנפיחות או עצם יכול לשמש לעתים קרובות ניגודיות.

קלבריה ו Scaling

2D DIC דורש כי מטוס חיישן המצלמה יהיה במקביל משטח הדגימה. Misalignment גורם פריטים מחוץ למטוס תנועה כי מחקה מתח.עבור משטחים עצם מעוקל, 3D DIC עם calibration סטריאוסקופי הוא חובה.

המונחים: Conditions

בדיקות רקמות קשות יכולות להיות quasi-static (0.1-1 מ"מ / מהירות חודרת) או דינמי (1-10 מ"מ / s) עבור בדיקות דינמיות, סינכרוניזציה בין תא המטען, אקטוטור, וגורם המצלמה הוא קריטי אותות תזמון דיגיטלי חיצוני (למשל, הדופק TTL) משמשים. בנוסף, שיעור הרכישה של הנתונים חייב להתאים את שיעור המצלמות להתאמה של החלפת כוח עם מפות נתונים.

ניתוח נתונים ופרשנות

עיבוד נתונים DIC מניב מפות זנים שיש לפרש בהקשר של מבנה רקמות ומנגנוני כשל.

Strain Mapping and Localization

אחד החוזקות הגדולות ביותר של DIC הוא זיהוי אזורים של ריכוז זנים כי לפני שבר.לדוגמה, במבחן שלוש נקודות של קופון עצם, העלילה של DIC זנים יציג להקה צרה של זנים גבוהים במיקום הסדקים בעתיד.

« « « « « « « « « « « « «»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»

מהנתונים של DIC עקירה, העקירה פתוחה בפה הסדקים (CMOD) וניתן להעריך את J-integral על ידי מעקב אחר שדה העקירה סביב קצה סדק, ניתן לגיבוי הגורם האינטנסיבי (K) באמצעות התאמה אסימפטוטית. המדידות אלה הן בעלות ערך במיוחד ללימוד המנגנונים הקשים שבעצם, כגון מיקרו-קיצה או סדקים על ידי סיבים.

תכונות חומריות heterogeneous Materials Properties

רקמות קשיחות אינן הומוגניות.DIC זנים מפות ב- trabecular העצם מראה הבדלים מתוחים התואמים עם חלקיק נפח העצם המקומי (BV / טלוויזיה) על ידי שיתוף פעולה של DIC תוצאות עם תמונות micro-CT, החוקרים יכולים למפות וריאציות Modulus ולאמת מודלים חוקתיים. גישה זו אינטגרטיבית היא מוקד עיקרי של מחקר נוכחי.

אתגרים ומגבלות

למרות כוחו, ל-DIC יש כמה מגבלות שהמתרגלים חייבים להכיר בהן.

  • (FLT:0Out-of-plane Motion artefacts:BuildFLT) 1 ב 2D DIC, כל תנועה נוטה אל פני השטח גורמת למתח כוזב.שימוש ב- 3D DIC פותר את זה אך מוסיף מורכבות.
  • (ב) ⁇ :0 (ב) ⁇ : ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) עלויות חישוביות: FLT:1 רזולוציה גבוהה סדרה של תמונות דורש זמן זיכרון ועיבוד משמעותי (שחיתות עשויה לקחת שעות עבור נתונים גדולים).
  • (FLT:0) רזולוציה של אימון: 1FLT (DIC בדרך כלל משיגה החלטות מתוחות של 50-300 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0 Temperature and Environmentalרגישות:FLT:1 פלוגות תאורה או טמפרטורה לגרום לבדיקות רעש תרמיות.ביצוע בסביבה מבוקרת (למשל, 3 ° C incubator) מומלץ אך לא תמיד אפשרי.

כיוונים עתידיים

היכולות של DIC לבדיקת רקמות קשות ממשיכות להתרחב עם שיפורים טכנולוגיים ואלגוריתמיים.

3D Digital Image Correlation (Stereo DIC)

Stereo DIC הופך סטנדרטי עבור כל עמודה ומדפי משטח נבדקים.התקדמות בסטריאוונדורס המסחרי (למשל, מצלמות כפולות מסונכרנות עם חיישנים ברזולוציה גבוהה) מאפשרות עקירה מלאה של משטח 3D מדידה ומדידה מתוחה.

מהירות גבוהה DIC

DIC (עד 1 מיליון fps) מאפשר מחקר של השפעה וטעינה פיצוץ על העצם, רלוונטי לפציעה בליסטית או תאונות רכב. Coupling DIC עם מתאם נפח דיגיטלי (DVC) מספק שדות מתוח פנימיים 3D מ סריקות CT, אם כי כיום מוגבל לדגימות קטנות עקב מינון קרינה וזמן סריקה.

אינטגרציה עם Finite Analysis (FEA)

אימות של מודלים FEA הוא יישום טבעי.מפות זן ניסיוני מ DIC בהשוואה לתחזיות מודל, ודיסקרטיות משמשים כדי לחדד מודלים חומריים.תהליך זה הוא מאיץ את הפיתוח של מודלים מדויקים יותר של עצמות ושומן עבור תכנון כירורגי ועיצוב השתל.

Machine Learning Enhancements

למידה עמוקה מוחלת על שיפור מהירות התאומה ולהפחית רעש.רשתות נילי יכול לחזות שדות עקירה מזוגות תמונה, שעלולה לעקוף מתאם תת-קבוצה מסורתי. תוצאות מוקדמות מצביעות על שיפורים בפתרון זנים וזמן עיבוד, אשר יכול להפוך את DIC לנגיש יותר עבור יישומים קליניים (למשל, ניטור intra-operative).

מסקנה

השחיתות של Digital Image התבגרה בכלי רב-תכליתי ורב-עוצמה עבור האופי המכאני של רקמות קשיחות.היכולת שלו לספק מדידות מתוחות מלאות, לא-מגע עם רזולוציה גבוהה עמיקה את ההבנה שלנו של עצמות וביו-שמין, ממנגנונים בסיסיים לניתוח כישלונות קליני, בעוד אתגרים הקשורים לשליטה סביבתית, הכנה, דרישות חישוביות נשארות, החידושים המתמשכים בטכנולוגיית המצלמה, אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, ואינטגרציה רב-ממדית, ושיפור של תפקודו של תפקודו-לשוני, ככל שיגדל יותר ויותר, תוך כדי שיפור תפקודו של תפקודו של שיטות פעולה, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם את תפקיד מרכזי של שיטות פעולה, תוך שיפור יעיל יותר ויותר, כמו גם על-מערכת העצבים, כמו גם על-מערכת העצבים, תוך שיפור תפקודותרפיה, תוך שיפור תפקודותרפיה, באמצעות שיטות פעולה, תוך שיפור יעיל יותר ויותר, באמצעות ניהולית, תוך שיפור יעיל יותר ויותר, באמצעות שיטות פעולה מתמטית, באמצעות ניתוח דינמי, תוך שיפור תפקודו של תפקודותרפיה, תוך שיפור יעיל יותר ויותר, באמצעות ניהול סביבתית, תוך כדי שיפור יעיל יותר ויותר, באמצעות שינוי-מדעית, תוך כדי

(ב) ראו את ה-FLT:0 (הדגשה על עקרונות DIC מ- Cor Related SolutionsFillo:1, עיין בסעיף 2Engineering ב-DIC מ- ScienceDirecteurFLT 3: ו-FLT:4 Educational המשאב מאוניברסיטת דרום קרוליינה:5