La Correlazione Digitale dell'immagine (DIC) è una tecnica ottica avanzata usata per misurare deformazioni e tensioni superficiali nei materiali. Nel campo della biomeccanica, soprattutto nel test dei tessuti duri come ossa, denti e tessuti mineralizzati, il DIC è diventato uno strumento prezioso per capire come queste strutture naturali rispondono alle forze meccaniche.

Principi di Correlazione di immagini digitali

La Correlazione di immagini digitali è un sottoinsieme di fotomeccanica che si basa sul tracciamento dello spostamento di un modello casuale (modello di falce) applicato alla superficie di un esemplare. Il metodo si basa sul confronto di un'immagine di riferimento (taken prima del caricamento) con una serie di immagini deformate catturate durante il caricamento.

Modello di fantasia

L'accuratezza del DIC dipende fortemente dalla qualità del modello di falce. Il modello deve esporre ad alto contrasto], isotropia (una distribuzione delle caratteristiche uguali in tutte le direzioni), e un natura rado per fornire una superficie di mappatura unica.

Acquisizione di immagini

Per i test quasistatici, una singola fotocamera è sufficiente (2D DIC), mentre 3D (stereo) DIC utilizza due telecamere per misurare gli spostamenti fuori piano. L'illuminazione deve essere uniforme e stabile; i sistemi di illuminazione a LED o le luci a fibra ottica con diffusori sono comuni. La velocità di struttura e l'esposizione devono essere regolati per evitare l'installazione del movimento durante il caricamento dinamico.

Correlazione Algoritmo e Calcolo dello Strain

Il software moderno DIC[ad esempio, le soluzioni di Correlated VIC‐2D, LaVision DaVis, o i pacchetti open source come NCorr] utilizza l'interpolazione sub-pixel per raggiungere la risoluzione di spostamento fino a 0,01 pixel.

Applicazione in test di tessuto duro

I tessuti duri sono materiali compositi con struttura gerarchica, dalla scala nano-idrossiapatite collagene alla macro-geometria di ossa o denti interi. DIC fornisce un ponte tra test meccanici e analisi micro-strutturali, consentendo ai ricercatori di collegare i modi di guasto all'architettura dei tessuti.

Bone onico

L'osso corticale (compatto) è il denso strato esterno di ossa lunghe. DIC è stato utilizzato ampiamente per studiare la durezza della frattura, compreso il ruolo della microstruttura osteonale in deflettore di crack. Ad esempio, in test notch-bending di campioni femorali umani, mappe di ceppo DIC rivelano come le crepe propaganti interagiscono con linee di cemento e confini di osteo.

Trabecolare (Cancellous) Bone

L'osso trabecolare è una rete porosa (densità relativa 5-50%) situata alle estremità delle ossa lunghe e all'interno delle vertebre. I test meccanici tradizionali misurano la rigidità e la forza della massa, ma il DIC sulla superficie dei campioni trabecolari può rilevare la stabilità localizzata e la trabeculazione crolluta.

Test di tutto il bone

A livello di organo, il DIC può essere applicato alla superficie delle ossa intatte (ad esempio, femore, tibia) per analizzare la distribuzione delle tensioni sotto carichi fisiologicamente rilevanti. La curvatura della superficie ossea richiede il DIC 3D (coppia della fotocamera di tipo stereo). I ricercatori hanno utilizzato questo approccio per tracciare i modelli di ceppo durante il carico simulato di camminata o di impatto, confermando che le zone ad alta tensione corrispondono a posizioni di frattura viste negli studi clinici.

Tessuti dentali

I denti sono composti da smalto (altamente mineralizzato, fragili), dentina (meno mineralizzata, più resistente), e cementum. DIC è stato impiegato per studiare la propagazione della crepa in smalto sotto carico assiale e laterale, rivelando come la struttura asta-interrota sgonfia le crepe.

Altri tessuti duri

Le applicazioni includono anche test di antidolorifico (un osso rapidamente mineralizzato con elevata durezza), ossa di orecchie di balena (senso e fragili), e calcificazioni patologiche (ad esempio, placche arteriose).

Vantaggi Oltre le tecniche tradizionali

I metodi tradizionali per la misurazione dello sforzo dei tessuti duri includono gli estensimetri resistivi, gli estensori e i trasformatori differenziali variabili lineari (LVDTs).

  • Full‐field vs. point-wise:[[] Un estensimetro fornisce dati solo in una singola posizione, mentre le mappe DIC si estendono su tutta la superficie visibile, catturando gradienti e localizzazione.
  • Natura non-contatta:[[] I manometri di strain richiedono un incollaggio adesivo che può alterare la rigidità locale o il contenuto di umidità, mentre DIC non è invasivo.
  • Risoluzione spaziale: DIC può risolvere variazioni di tensione al microscala (ad esempio, < 10 μm), superando la lunghezza del manometro di un tipico calibro (3-6 mm).
  • Capacità dinamica:[[ Le telecamere ad alta velocità permettono a DIC di catturare le onde di tensione durante gli impatti (ad esempio, test a barra di pressione a drop-tower o Split-Hopkinson) a velocità di cornice superiore a 100.000 fps.
  • La facilità di applicazione alle superfici irregolari:[] DIC funziona su contorni curvati o anatomicamente complessi, a condizione che si possa applicare un modello di falce.

Considerazioni sperimentali per i tessuti duri

Condurre DIC sui tessuti duri presenta sfide uniche relative all'umidità, preparazione dei campioni e rilevanza fisiologica.

Gestione dell'umidità

Le soluzioni includono campioni di rivestimento in garza saline-soaked, rivestimento con olio minerale, o test di esecuzione in un bagno di fluido controllato dalla temperatura. Per ambienti umidi, vernici impermeabili (ad esempio, vinile-based) o lenti ceramiche stabilizzate sono consigliate per garantire l'aderenza del modello. L'obiettivo della fotocamera e l'illuminazione devono essere protetti anche da spruzzi di condensa.

Preparazione e qualità delle superfici

Per applicare un modello di falce di alta qualità, la superficie può essere leggermente lucidata (ma non eccessivamente, per evitare danni) o pulita con etanolo. Per l'osso intero, la superficie periosteale può essere utilizzata senza rimozione se lo strato fibroso è sottile. In alcuni casi, la texture naturale da porosità ossea o strato di denti può servire come un contrasto intrinseco.

Calibrazione e Scala

Il disallineamento del sensore della fotocamera richiede che il piano del sensore sia parallelo alla superficie del campione. Il disallineamento provoca dei manufatti di movimento fuori piano che si estendono mimi. Per le superfici ossee curve, è obbligatorio il DIC 3D con la calibrazione stereoscopica.

Condizioni di caricamento

Per i test dinamici, la sincronizzazione tra cella di carico, attuatore e trigger della fotocamera è fondamentale. I segnali di sincronizzazione digitale esterni (ad esempio, impulsi TTL) sono utilizzati. Inoltre, il tasso di acquisizione dati deve corrispondere alla velocità del telaio della fotocamera per correlare i dati di spostamento forza-forza con le mappe di sforzo.

Analisi dei dati e Interpretazione

I dati DIC post-elaborazione producono mappe di ceppo che devono essere interpretate nel contesto della struttura dei tessuti e dei meccanismi di guasto.

Mappatura e localizzazione di strain

Uno dei punti più forti del DIC è l'identificazione di regioni di concentrazione di ceppi che precedono la frattura. Ad esempio, in un test di piegatura a tre punti di un coupon osseo, il diagramma di deviazione del disco DIC mostrerà una banda stretta di tensione elevata nella posizione futura della crepa.

Parametri meccanici di frattura

Dai dati di spostamento DIC, si può stimare lo spostamento della bocca di crack (CMOD) e il J-integral. Inseguendo il campo di spostamento intorno a una punta di crack, il fattore di intensità dello stress (K) può essere sostenuto utilizzando un raccordo asintotico. Queste misure sono particolarmente preziose per studiare i meccanismi di tempra in osso, come micro-cracking o crack che si corrodono da fibre di collagene.

Proprietà materiali eterogenee

I tessuti duri non sono omogenei. Le mappe di deformazione DIC nelle variazioni di deformazione trabecolare mostrano che si correlano con la frazione del volume osseo locale (BV/TV). Grazie alla co-registrazione dei risultati DIC con immagini micro-CT, i ricercatori possono mappare variazioni di modulo e convalidare i modelli costitutivi.

Sfide e limitazioni

Nonostante il suo potere, DIC ha diverse limitazioni che i professionisti devono riconoscere.

  • Prodotti di movimento fuori piano:[ Nel DIC 2D, qualsiasi movimento perpendicolare alla superficie provoca false tensioni.
  • Surface stato:[ Alta riflettività (ad esempio, smalto lucido) o estrema porosità (ad esempio, osso trabecolare ad alta porosità) può degradare la qualità di correlazione, portando a dati rumorosi.
  • Costo computazionale:[ Le serie di immagini ad alta risoluzione richiedono un tempo significativo di memoria e di elaborazione (la correlazione può richiedere ore per grandi set di dati).
  • Risoluzione dei tragitti:[] DiC raggiunge in genere risoluzioni di ceppo di 50–300 μɛ, che è sufficiente per l'osso (fratture di circa 1–3%), ma non può catturare sottili ceppi elastici in materiali molto rigidi (ad esempio, smalto denso).
  • Sensibilità ambientale e temperatura:[[] Le fluttuazioni nell'illuminazione o nella temperatura causano rumore termico.

Le direzioni future

Le capacità di DIC per i test dei tessuti duri continuano ad espandersi con miglioramenti tecnologici e algoritmici.

Correlazione di immagini digitali 3D (Stereo DIC)

I progressi nelle telecamere stereo commerciali (ad esempio, le doppie telecamere sincronizzate con i sensori ad alta risoluzione) consentono lo spostamento della superficie 3D e la misurazione della tensione. Il lavoro futuro può integrare il DIC stereo con il micro-CT in-situ per catturare simultaneamente le tensioni superficiali e l'architettura interna.

DIC ad alta velocità

Il DIC ad alta velocità (fino a 1 milione di fps) consente lo studio dell'impatto e del caricamento dell'esplosione sull'osso, rilevante per lesioni balistiche o crash del veicolo. Il DIC di accoppiamento con la correlazione del volume digitale (DVC) fornisce campi di ceppo interni 3D da scansioni CT, anche se attualmente limitati a piccoli esemplari a causa della dose di radiazione e del tempo di scansione.

Integrazione con l'analisi degli elementi finiti (FEA)

La validazione dei modelli FEA è un'applicazione naturale. Le mappe sperimentali di ceppo di DIC sono confrontate alle previsioni del modello e le discrepanze vengono utilizzate per perfezionare i modelli di materiale. Questo processo iterativo accelera lo sviluppo di modelli ossei e denti più precisi per la pianificazione chirurgica e la progettazione degli impianti.

Miglioramenti di apprendimento della macchina

Le reti neurali possono prevedere campi di spostamento da coppie di immagini, potenzialmente bypassando la tradizionale correlazione dei sottoset. I primi risultati indicano miglioramenti nella risoluzione delle tensioni e nel tempo di elaborazione, che potrebbero rendere il DIC più accessibile per applicazioni cliniche (ad esempio, monitoraggio intra-operativo delle tensioni).

Conclusioni

La sua capacità di fornire misurazioni di ceppo a pieno campo, non-contatto con alta risoluzione ha approfondito la nostra comprensione della biomeccanica ossea e dei denti, dai meccanismi di frattura fondamentali all'analisi di guasti clinici. Mentre le sfide legate al controllo ambientale, alla preparazione della superficie e alle esigenze computazionali rimangono, le innovazioni in corso nella tecnologia della fotocamera, gli algoritmi di correlazione e l'integrazione multi-modale.

Per ulteriori informazioni, vedere ] la sovrapposizione dei principi DIC da soluzioni correlate[, la ]Impiegazione sezione su DIC da ScienceDirect[], e una risorsa educativa completa dall'Università della Carolina del Sud.