A Correlação Digital de Imagens (DIC) é uma técnica óptica avançada usada para medir deformações superficiais e deformações em materiais. No campo da biomecânica, especialmente no teste de tecidos duros, como osso, dentes e tecidos mineralizados, a DIC tornou-se uma ferramenta inestimável para entender como essas estruturas naturais respondem às forças mecânicas. Ao fornecer medições de deformação em campo completo, sem contato, com alta resolução espacial, a DIC permite aos pesquisadores capturar gradientes de deformação locais, iniciação de fissuras e mecanismos de falha que os sensores tradicionais não conseguem detectar. Este artigo fornece uma exploração aprofundada dos princípios da DIC, suas aplicações específicas em testes de tecidos duros, considerações experimentais, estratégias de análise de dados e o futuro em evolução da técnica.

Princípios da Correlação Digital de Imagens

A Correlação Digital de Imagens é um subconjunto de fotomecânica que depende do acompanhamento do deslocamento de um padrão aleatório (padrão de spele) aplicado à superfície de um espécime. O método baseia- se na comparação de uma imagem de referência (tomada antes do carregamento) com uma série de imagens deformadas capturadas durante o carregamento. Um algoritmo de correlação divide a imagem de referência em subconjuntos pequenos (por exemplo, 15 × 15 pixels) e procura os mesmos subconjuntos nas imagens deformadas, usando um critério matemático como a correlação cruzada normalizada ou a correspondência de mínimos quadrados. O campo de deslocamento resultante é então numericamente diferenciado para calcular mapas de de deformação.

Padrão de Feitiço

A precisão do DIC depende fortemente da qualidade do padrão de speckle. O padrão deve exibir alto contraste, isotropia[ (igual distribuição de características em todas as direções), e uma natureza aleatória para fornecer uma área de mapeamento única. Para tecidos duros, os métodos comuns de aplicação incluem pulverização de escovas de tinta preta e branca, gravação a laser ou até mesmo exploração de características naturais da superfície (por exemplo, poros ósseos trabeculares). O tamanho do speckle deve ser de aproximadamente 3-5 pixels na imagem para otimizar a correlação. Em condições úmidas ou úmidas (típicos para tecidos biológicos), tintas impermeáveis ou revestimentos alternativos são necessários para evitar a degradação do padrão.

Aquisição de Imagem

Câmeras de alta resolução com disparo sincronizado são essenciais. Para testes quase-estáticos, uma única câmera é suficiente (2D DIC), enquanto a DIC 3D (estereo) usa duas câmeras para medir deslocamentos fora do plano. A iluminação deve ser uniforme e estável; são comuns matrizes de LED ou luzes de fibra óptica com difusores. A taxa de quadros e exposição devem ser ajustadas para evitar o borrão de movimento durante o carregamento dinâmico. Para tecidos duros, uma configuração típica envolve uma máquina de teste universal com uma câmara de acrílico transparente para manter a hidratação (por exemplo, gotejamento salino ou banho tecidual).

Algoritmo de correlação e cálculo da tensão

O software moderno DIC (por exemplo, Correlated Solutions VIC-2D, LaVision DaVis ou pacotes de código aberto como NCorr) usa interpolação sub-pixel para alcançar resolução de deslocamento até 0,01 pixels. O tensor de deformação é calculado a partir de gradientes de deslocamento usando formalismos de small-strain ou finita-strain, dependendo da magnitude da deformação. As medidas de deformação comuns incluem ε[xx[, εy[, εxy[, e as principais cepas. Para tecidos duros que exibem comportamento frágil ou quase-brittle (por exemplo, esmalte), as concentrações de tensão locais podem ser identificadas com precisão em escala de micrometros.

Aplicação em testes de tecidos duros

Os tecidos duros são materiais compostos com estrutura hierárquica, desde a nano-escala de colagénio-hidroxiapatita até à macro-geometria de ossos inteiros ou dentes. O DIC proporciona uma ponte entre testes mecânicos e análises microestruturais, permitindo aos investigadores ligarem os modos de falha à arquitectura dos tecidos.

Osso Cortical

O osso cortical (compacto) é a camada externa densa de ossos longos. O DIC tem sido amplamente utilizado para estudar a tenacidade da fratura, incluindo o papel da microestrutura osteonal na deflexão de fissuras. Por exemplo, em testes de dobra de espécimes femorais humanos, os mapas de deformação DIC revelam como as fissuras propagantes interagem com linhas de cimento e limites de ostenos. A técnica pode quantificar campos de deformação de pontas de fissuras e calcular valores de J-integral, fornecendo conhecimento sobre a fragilidade óssea relacionada com a idade.

Osso trabecular (Cancelosa)

O osso trabecular é uma rede porosa (densidade relativa 5–50%) localizada nas extremidades dos ossos longos e nas vértebras. Os testes mecânicos tradicionais medem a rigidez e a resistência do volume, mas o DIC na superfície dos espécimes trabeculares pode detectar encurvadura localizada e trabéculas colapsadas. Por exemplo, por imagem da superfície de uma amostra trabecular cúbica durante a compressão, o DIC revela que a tensão é altamente heterogênea, com máximas ocorrendo em junções rod-to-plate. Esta informação ajuda a validar modelos de elementos microfinitos.

Teste ósseo completo

No nível do órgão, o DIC pode ser aplicado à superfície de ossos intactos (por exemplo, fêmur, tíbia) para analisar a distribuição de deformação sob cargas fisiologicamente relevantes. A curvatura da superfície óssea requer DIC 3D (pare de câmera estereo). Pesquisadores usaram esta abordagem para rastrear padrões de deformação durante a caminhada simulada ou carga de impacto, confirmando que zonas de alta tensão correspondem a locais de fratura vistos em estudos clínicos.

Tecidos dentários

Os dentes são compostos de esmalte (altamente mineralizado, quebradiço), dentina (menos mineralizado, mais resistente) e cementum. O DIC tem sido empregado para estudar a propagação de trincas no esmalte sob carga axial e lateral, revelando como a estrutura de interrod-rod deflete rachas. Na dentina, os mapas de deformação DIC mostram uma transição gradual da deformação elástica para permanente na junção dentina-emamelo. Este conhecimento orienta o projeto de materiais restaurativos dentários e sistemas adesivos.

Outros tecidos duros

As aplicações incluem também testes de formigas (um osso mineralizado rapidamente com alta tenacidade), ossos de orelhas de baleia (densa e frágil), e calcificações patológicas (por exemplo, placas arteriais). Em cada caso, DIC fornece compreensão mecanicista que informa biologia básica e tratamentos clínicos.

Vantagens sobre as técnicas tradicionais

Os métodos tradicionais para medição de deformação de tecidos duros incluem strain gauges resistivos, extensômetros e transformadores diferenciais variáveis lineares (LVDTs).

  • Campo completo vs. ponto: Um strain gauge fornece dados apenas em um único local, enquanto o DIC mapeia a tensão sobre toda a superfície visível, captando gradientes e localizações.
  • Natureza não-contato: Os strain gages requerem uma ligação adesiva que pode alterar a rigidez local ou o teor de humidade, enquanto o DIC não é invasivo.
  • Resolução espacial: DIC pode resolver variações de tensão na microescala (por exemplo, < 10 μm), excedendo muito o comprimento do bitola de um strain gauge típico (3-6 mm).
  • Capacidade dinâmica: As câmaras de alta velocidade permitem que o DIC capture ondas de deformação durante os impactos (por exemplo, ensaios de torre de queda ou barra de pressão de Split-Hopkinson) a taxas superiores a 100.000 fps.
  • Fácil de aplicação em superfícies irregulares: O DIC trabalha em contornos curvos ou anatomicamente complexos, desde que possa ser aplicado um padrão de speckle.

Considerações experimentais para tecidos duros

A condução da CIC em tecidos duros apresenta desafios únicos relacionados à umidade, preparação do espécime e relevância fisiológica.

Gestão da humidade

Os ossos e dentes devem permanecer hidratados para manter as propriedades mecânicas. O osso seco torna-se significativamente mais rígido e frágil. As soluções incluem o revestimento de amostras em gaze ensopada com solução salina, revestimento com óleo mineral ou testes em banho de fluido controlado por temperatura. Para ambientes húmidos, tintas à prova d'água (por exemplo, à base de vinil) ou salpicos cerâmicos estabilizados são recomendados para garantir a aderência ao padrão. A lente da câmera e iluminação também devem ser protegidos de respingos ou condensação.

Preparação do espécime e qualidade da superfície

Os tecidos duros têm frequentemente texturas superficiais irregulares (por exemplo, superfícies de corte de osso trabecular). Para aplicar um padrão de manchas de alta qualidade, a superfície pode ser levemente polida (mas não excessivamente, para evitar danos) ou limpa com etanol. Para todo o osso, a superfície periosteal pode ser usada sem remoção se a camada fibrosa for fina. Em alguns casos, a textura natural da porosidade óssea ou da camada dentária pode servir como um padrão de speckle intrínseco, embora o contraste seja muitas vezes insuficiente.

Calibração e Escala

O DIC 2D requer que o plano do sensor da câmera seja paralelo à superfície do espécime. O desalinhamento causa artefatos de movimento fora do plano que imitam a tensão. Para superfícies ósseas curvas, o DIC 3D com calibração estereoscópica é obrigatório. Os alvos de calibração (por exemplo, grades de pontos) são visualizados para determinar parâmetros da câmera e a posição relativa das duas câmeras. O fator de escala resultante (por exemplo, mícrons por pixel) deve ser preciso para ±1% para erros de deformação abaixo de 50 μl.

Condições de carregamento

Os testes de tecido duro podem ser quase-estáticos (0,1-1 mm/min de velocidade transversal) ou dinâmicos (1-10 m/s). Para testes dinâmicos, a sincronização entre a célula de carga, o atuador e o gatilho da câmera é crítica. São utilizados sinais de temporização digitais externos (por exemplo, pulsos TTL). Além disso, a taxa de aquisição de dados deve corresponder à taxa de quadros da câmera para correlacionar dados de deslocamento de força com mapas de deformação.

Análise e Interpretação dos Dados

Os dados do DIC pós-processamento fornecem mapas de deformação que devem ser interpretados no contexto da estrutura tecidual e dos mecanismos de falha.

Mapeamento e Localização de Deformação

Uma das maiores forças do DIC é identificar regiões de concentração de deformação que precedem a fratura. Por exemplo, em um teste de flexão de três pontos de um cupom ósseo, o gráfico de contorno de de deformação do DIC mostrará uma estreita faixa de alta tensão no local futuro da fissura. Esta localização de deformação pode ser quantificada por plotagem de deformação ao longo de um perfil de linha ou computação do desvio padrão de deformação sobre todo o campo.

Parâmetros da Mecânica da Fratura

A partir dos dados de deslocamento do DIC, pode-se estimar o deslocamento de abertura da boca de fissura (CMOD) e o J-integral. Ao rastrear o campo de deslocamento em torno de uma ponta de fissura, o fator de intensidade de tensão (K) pode ser retirado usando encaixe assintótico. Essas medidas são particularmente valiosas para estudar os mecanismos de endurecimento do osso, como micro-cracking ou bridging de fissura por fibras de colágeno.

Propriedades do Material Heterógeno

Os tecidos duros não são homogêneos. Os mapas de deformação DIC no osso trabecular mostram variações de deformação que se correlacionam com a fração de volume ósseo local (VB/TV). Ao co-registrar resultados de DIC com imagens de micro-CT, pesquisadores podem mapear variações de módulo e validar modelos constitutivos. Esta abordagem integrativa é um dos principais focos da pesquisa atual.

Desafios e Limitações

Apesar de seu poder, o DIC tem várias limitações que os praticantes devem reconhecer.

  • Artefatos de movimento fora do plano: Em 2D DIC, qualquer movimento perpendicular à superfície causa falso deformação. Usando 3D DIC resolve isso, mas adiciona complexidade.
  • Condição da face da pele: Alta refletividade (por exemplo, esmalte polido) ou porosidade extrema (por exemplo, osso trabecular de alta porosidade) podem degradar a qualidade da correlação, levando a dados ruidosos.
  • Custo computacional: Série de imagens de alta resolução requerem memória e tempo de processamento significativos (a correlação pode levar horas para grandes conjuntos de dados).
  • Resolução de deformação: O DIC normalmente atinge resoluções de deformação de 50-300 μl, o que é suficiente para o osso (deformações de fratura em torno de 1-3%), mas não pode capturar deformações elásticas sutis em materiais muito rígidos (por exemplo, esmalte denso).
  • Temperatura e sensibilidade ambiental:] As flutuações na iluminação ou temperatura causam ruído térmico. É recomendado realizar ensaios em ambiente controlado (por exemplo, incubadora de 37°C), mas nem sempre viável.

Instruções futuras

As capacidades do DIC para testes de tecidos duros continuam a expandir-se com melhorias tecnológicas e algorítmicas.

Correlação de Imagem Digital 3D (Stereo DIC)

O DIC estereo está a tornar-se padrão para testes de superfície de osso inteiro e curva. Os avanços em estereocâmeras comerciais (por exemplo, câmaras duplas sincronizadas com sensores de alta resolução) permitem uma medição de deslocamento de superfície 3D de campo completo e de deformação. Future work may integrate stereo DIC com micro-CT in situ para capturar simultaneamente as deformações de superfície e a arquitetura interna.

DIC de alta velocidade

O DIC de alta velocidade (até 1 milhão de fps) permite o estudo do impacto e da carga de explosão no osso, relevante para lesões balísticas ou acidentes de veículos. O DIC de acoplamento com correlação de volume digital (DVC) fornece campos de deformação interna 3D de tomografias computadorizadas, embora atualmente limitado a pequenos espécimes devido à dose de radiação e tempo de varredura.

Integração com a Análise de Elementos Finitos (FEA)

A validação dos modelos de FEA é uma aplicação natural. Os mapas experimentais de deformação da DIC são comparados com as previsões de modelos, e as discrepâncias são usadas para refinar modelos de materiais.Este processo iterativo está acelerando o desenvolvimento de modelos ósseos e dentários mais precisos para planejamento cirúrgico e desenho de implantes.

Melhorias na aprendizagem de máquinas

A aprendizagem profunda está sendo aplicada para melhorar a velocidade de correlação e reduzir o ruído. As redes neurais podem prever campos de deslocamento de pares de imagens, potencialmente contornando a correlação tradicional de subconjuntos. Os resultados iniciais indicam melhorias na resolução de deformação e tempo de processamento, o que poderia tornar o DIC mais acessível para aplicações clínicas (por exemplo, monitoramento de deformação intra-operatória).

Conclusão

A Correlação Digital de Imagens amadureceu em uma ferramenta versátil e poderosa para a caracterização mecânica de tecidos duros. Sua capacidade de fornecer medições de deformação em campo completo, sem contato com alta resolução, aprofundou nosso entendimento da biomecânica óssea e dentária, desde mecanismos fundamentais de fratura até análise de falha clínica. Embora os desafios relacionados ao controle ambiental, preparação de superfícies e demandas computacionais permaneçam, inovações contínuas na tecnologia de câmeras, algoritmos de correlação e integração multimodal prometem aumentar ainda mais sua utilidade. À medida que o campo continua crescendo, o DIC desempenhará um papel cada vez mais central no desenho de biomateriais, implantes ortopédicos e restauradores dentários, melhorando os resultados dos pacientes através de testes mecânicos mais informados.

Para mais informações, consultar a secção de engenharia sobre os princípios DIC de Correlated Solutions, a secção de engenharia sobre DIC de ScienceDirect, e um recurso educativo abrangente da Universidade da Carolina do Sul.