Table of Contents

Цифровая корреляция изображений (DIC) - это передовая оптическая техника, используемая для измерения поверхностных деформаций и деформаций в материалах. В области биомеханики, особенно при тестировании твердых тканей, таких как кости, зубы и минерализованные ткани, DIC стал бесценным инструментом для понимания того, как эти естественные структуры реагируют на механические силы. Предоставляя измерения полнопольного, бесконтактного напряжения с высоким пространственным разрешением, DIC позволяет исследователям захватывать локальные градиенты деформации, инициирование трещин и механизмы отказа, которые традиционные точечные датчики не могут обнаружить. Эта статья обеспечивает углубленное исследование принципов DIC, его конкретных применений в тестировании твердой ткани, экспериментальных соображениях, стратегиях анализа данных и развивающемся будущем техники.

Принципы цифровой корреляции изображений

Цифровая корреляция изображений представляет собой подмножество фотомеханики, которое опирается на отслеживание смещения случайного рисунка (образца осколков), нанесенного на поверхность образца. Метод основан на сравнении эталонного изображения (снятого перед загрузкой) с серией деформированных изображений, захваченных во время загрузки. Алгоритм корреляции делит эталонное изображение на небольшие подмножества (например, 15×15 пикселей) и ищет те же подмножества в деформированных изображениях, используя математический критерий, такой как нормализованная перекрестная корреляция или соответствие наименьших квадратов. Полученное поле смещения затем численно дифференцируется для вычисления карт напряжения.

Спекл-паттерн

Точность DIC сильно зависит от качества рисунка спекла. Узор должен проявлять высокую контрастность , изотропию (равное распределение признаков во всех направлениях) и случайную природу , чтобы обеспечить уникальную область отображения. Для твердых тканей общие методы применения включают аэрографическое распыление черной и белой краски, лазерную гравировку или даже использование естественных поверхностных особенностей (например, трабекулярных костных пор). Размер спекла должен быть примерно 3-5 пикселей на изображении для оптимизации корреляции. В влажных или влажных условиях (типичные для биологических тканей), водонепроницаемые краски или альтернативные покрытия необходимы для предотвращения деградации рисунка.

Приобретение изображений

Для квазистатического тестирования достаточно одной камеры (2D DIC), в то время как 3D (stereo) DIC использует две камеры для измерения смещений вне плоскости. Освещение должно быть однородным и стабильным; светодиодные массивы или волоконно-оптические огни с диффузорами являются общими. Скорость кадра и экспозиция должны быть отрегулированы, чтобы избежать размытия движения во время динамической нагрузки. Для твердых тканей типичная установка включает универсальную испытательную машину с прозрачной акриловой камерой для поддержания гидратации (например, солевая капельница или ванна для тканей).

Алгоритм корреляции и расчет напряжения

Современное программное обеспечение DIC (например, Correlated Solutions VIC-2D, LaVision DaVis или пакеты с открытым исходным кодом, такие как NCorr) использует субпиксельную интерполяцию для достижения разрешения смещения до 0,01 пикселя. Тензор деформации вычисляется из градиентов смещения с использованием либо мелко-, либо конечно-деформационных формализмов, в зависимости от величины деформации. Общие меры деформации включают ε xx , ε yy , ε xy и основные штаммы. Для твердых тканей, которые проявляют хрупкое или квази-хрупкое поведение (например, эмаль), локальные концентрации деформации могут быть идентифицированы с точностью микрометрового масштаба.

Применение в тестировании твердых тканей

Твердые ткани представляют собой композиционные материалы с иерархической структурой, от наномасштаба коллаген-гидроксиапатита до макрогеометрии целых костей или зубов. DIC обеспечивает мост между механическим тестированием и микроструктурным анализом, позволяя исследователям связывать режимы отказа с тканевой архитектурой.

Кортикальная кость

Кортикальная (компактная) кость представляет собой плотный внешний слой длинных костей. DIC широко используется для изучения прочности переломов, включая роль остеональной микроструктуры в отклонении трещин. Например, в тестах на изгибание человеческих бедренных образцов, карты штаммов DIC показывают, как распространяющиеся трещины взаимодействуют с цементными линиями и границами остеона. Метод может количественно определять поля штамма трещин и вычислять интегральные значения J, обеспечивая понимание возрастной хрупкости костей.

Трабекулярная (отмененная) кость

Трабекулярная кость представляет собой пористую сеть (относительная плотность 5-50%), расположенную на концах длинных костей и в позвонках. Традиционное механическое тестирование измеряет объемную жесткость и прочность, но DIC на поверхности трабекулярных образцов может обнаруживать локализованные пристегивания и коллапсированные трабекулы. Например, путем визуализации поверхности кубического трабекулярного образца во время сжатия DIC показывает, что штамм очень неоднороден, причем максимумы встречаются на стержневых узлах. Эта информация помогает проверить модели микроконечных элементов.

Тестирование всей кости

На уровне органов ДВС может применяться к поверхности неповрежденных костей (например, бедренной кости, голени) для анализа распределения штамма при физиологически значимых нагрузках. Кривизна поверхности кости требует 3D ДВС (пара камер стерео). Исследователи использовали этот подход для отслеживания паттернов деформации во время симулированной ходьбы или ударной нагрузки, подтверждая, что зоны высокого деформирования соответствуют местам переломов, наблюдаемым в клинических исследованиях.

Стоматологические ткани

Зубы состоят из эмали (высоко минерализованной, хрупкой), дентина (менее минерализованной, более жесткой) и цемента. DIC использовался для изучения распространения трещин в эмали при осевой и боковой нагрузке, показывая, как структура стержня-интеррода отклоняет трещины. В дентине карты деформации DIC показывают постепенный переход от эластичной к постоянной деформации на дентин-эмальном соединении. Эти знания направляют конструкцию стоматологических восстановительных материалов и клеевых систем.

Другие жесткие ткани

Приложения также включают тестирование муравьеда (быстро минерализованная кость с высокой вязкостью), кости уха кита (плотные и ломкие) и патологические кальцификации (например, артериальные бляшки). В каждом случае DIC обеспечивает механистическое понимание, которое информирует как базовую биологию, так и клинические методы лечения.

Преимущества перед традиционными методами

Традиционные методы измерения деформации твердой ткани включают резистивные тензометры, экстенсомеры и линейные переменные дифференциальные трансформаторы (LVDT). В то время как зрелые, эти подходы страдают от нескольких ограничений, которые преодолевает DIC.

  • Полное поле против точки: Штаммограф предоставляет данные только в одном месте, тогда как DIC карты деформируют всю видимую поверхность, захватывая градиенты и локализации.
  • Неконтактная природа: Штукатурные датчики требуют клеевого склеивания, которое может изменять местную жесткость или содержание влаги, в то время как DIC неинвазивный.
  • Пространственное разрешение: DIC может разрешать вариации деформации в микромасштабе (например, < 10 мкм), значительно превышающие длину калибровочного датчика типичного тензодатчика (3-6 мм).
  • Динамические возможности: Высокоскоростные камеры позволяют DIC захватывать волны напряжения во время ударов (например, испытания на башню или напорную панель Сплита-Хопкинсона) при частоте кадров, превышающей 100 000 кадров в секунду.
  • Простота нанесения на нерегулярные поверхности: DIC работает на изогнутых или анатомически сложных контурах при условии, что может быть применена схема спекла.

Экспериментальные соображения для твердых тканей

Проведение DIC на твердых тканях представляет уникальные проблемы, связанные с влагой, подготовкой образцов и физиологической значимостью.

Управление влажностью

Костная и зубная кости должны оставаться гидратированными для поддержания механических свойств. Сухая кость становится значительно жестче и хрупче. Решения включают в себя обертывание образцов в залитой соленой марлей, покрытие минеральным маслом или проведение испытаний в жидкой ванне с контролируемой температурой. Для влажных сред рекомендуется использовать водонепроницаемые краски (например, на основе винила) или стабилизированные керамические пятнышки для обеспечения соответствия рисунку. Объектив камеры и освещение также должны быть защищены от брызг или конденсации.

Подготовка образцов и качество поверхности

Твердые ткани часто имеют нерегулярные текстуры поверхности (например, трабекулярные поверхности, разрезанные костью). Для нанесения высококачественного рисунка спекла поверхность может быть слегка отполирована (но не чрезмерно, чтобы избежать повреждения) или очищена этанолом. Для цельной кости поверхность периостеала может использоваться без удаления, если волокнистый слой тонкий. В некоторых случаях естественная текстура из пористости кости или наслоения зуба может служить в качестве внутреннего рисунка спекла, хотя контраст часто недостаточен.

Калибровка и масштабирование

2D DIC требует, чтобы плоскость датчика камеры была параллельна поверхности образца. Несбалансированность вызывает артефакты движения вне плоскости, которые имитируют деформацию. Для изогнутых поверхностей костей обязательна 3D DIC со стереоскопической калибровкой. Калибровочные цели (например, точечные сетки) отображаются для определения параметров камеры и относительного положения двух камер. Получающийся коэффициент масштабирования (например, микроны на пиксель) должен быть точным до ±1% для ошибок деформации ниже 50 мкг.

Условия погрузки

Испытания на твердую ткань могут быть квазистатическими (0,1-1 мм/мин поперечной скорости) или динамическими (1-10 м/с). Для динамических испытаний важна синхронизация между нагрузочной ячейкой, приводом и триггером камеры. Используются внешние цифровые сигналы времени (например, импульсы TTL). Кроме того, скорость сбора данных должна соответствовать частоте кадров камеры для корреляции данных о перемещении силы с картами деформации.

Анализ данных и интерпретация

После обработки DIC данные дают карты штаммов, которые должны быть интерпретированы в контексте структуры ткани и механизмов отказа.

Картирование и локализация напряжения

Одной из самых сильных сторон DIC является выявление областей концентрации деформации, которые предшествуют перелому. Например, в тесте на изгиб костного купона с тремя точками контурный участок деформации DIC покажет узкую полосу высокорастягивающего деформации в будущем месте трещины. Эта локализация деформации может быть количественно определена путем построения деформации по профильу линии или вычисления стандартного отклонения деформации по всему полю.

Параметры механики слома

Из данных о смещении DIC можно оценить смещение отверстия во рту трещины (CMOD) и J-интеграл. Отслеживая поле смещения вокруг наконечника трещины, коэффициент интенсивности напряжения (K) можно отбросить с помощью асимптотической подгонки. Эти измерения особенно ценны для изучения механизмов упрочнения в кости, таких как микротрещина или трещина, соединяющаяся коллагеновыми волокнами.

Неоднородные свойства материалов

Твердые ткани не являются однородными. Карты штаммов DIC в трабекулярной кости показывают вариации штаммов, которые коррелируют с локальной фракцией объема кости (BV/TV). Со-регистрируя результаты DIC с изображениями микро-КТ, исследователи могут отображать вариации модуля и проверять конститутивные модели. Этот интегративный подход является основным направлением текущих исследований.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свою силу, у DIC есть несколько ограничений, которые должны признать практикующие.

  • В 2D DIC любое движение, перпендикулярное поверхности, вызывает ложное напряжение. Использование 3D DIC разрешает это, но добавляет сложность.
  • Состояние поверхности: Высокая отражательная способность (например, полированная эмаль) или экстремальная пористость (например, высокопористая трабекулярная кость) могут ухудшить качество корреляции, что приводит к шумным данным.
  • Расчетная стоимость: Серия изображений с высоким разрешением требует значительного времени памяти и обработки (корреляция может занять часы для больших наборов данных).
  • Разрешение напряжения: DIC обычно достигает разрешения деформации 50-300 мкг, что достаточно для костей (деформации перелома около 1-3%), но может не захватывать тонкие эластичные деформации в очень жестких материалах (например, плотная эмаль).
  • Температура и чувствительность к окружающей среде: Колебания освещения или температуры вызывают тепловой шум. Рекомендуется проведение испытаний в контролируемой среде (например, инкубатор 37°C), но не всегда возможно.

Будущие направления

Возможности DIC для тестирования твердой ткани продолжают расширяться с технологическими и алгоритмическими улучшениями.

3D-корреляция цифровых изображений (Stereo DIC)

Stereo DIC становится стандартом для испытаний цельной кости и изогнутой поверхности. Достижения в коммерческих стереокамерах (например, синхронизированные двойные камеры с датчиками высокого разрешения) позволяют полностью полевое 3D-измерение смещения поверхности и деформации. Будущая работа может интегрировать стерео DIC с микро-CT in-situ для одновременного захвата как поверхностных деформаций, так и внутренней архитектуры.

Высокоскоростной DIC

Высокоскоростной DIC (до 1 млн. кадров в секунду) позволяет изучать ударную и взрывную нагрузку на кости, актуальную для баллистических травм или аварий транспортных средств. Связывание DIC с цифровой корреляцией объема (DVC) обеспечивает 3D внутренние поля деформации от КТ-сканирования, хотя в настоящее время ограничено небольшими образцами из-за дозы излучения и времени сканирования.

Интеграция с анализом конечных элементов (FEA)

Валидация моделей FEA является естественным применением. Экспериментальные карты штаммов от DIC сравниваются с прогнозами моделей, а расхождения используются для уточнения моделей материалов. Этот итеративный процесс ускоряет разработку более точных моделей костей и зубов для хирургического планирования и дизайна имплантатов.

Машинное обучение Улучшения

Глубокое обучение применяется для повышения скорости корреляции и снижения шума. Нейронные сети могут прогнозировать поля смещения из пар изображений, потенциально минуя традиционную подмножественную корреляцию. Ранние результаты указывают на улучшение разрешения деформации и времени обработки, что может сделать DIC более доступным для клинических применений (например, внутриоперационный мониторинг деформации).

Заключение

Цифровая корреляция изображений превратилась в универсальный и мощный инструмент для механической характеристики твердых тканей. Его способность проводить измерения бесконтактного напряжения с высоким разрешением углубила наше понимание биомеханики костей и зубов, от фундаментальных механизмов переломов до анализа клинической недостаточности. В то время как проблемы, связанные с контролем окружающей среды, подготовкой поверхности и вычислительными требованиями, остаются, продолжающиеся инновации в технологии камер, алгоритмы корреляции и мультимодальная интеграция обещают еще больше повысить его полезность. По мере того, как область продолжает расти, DIC будет играть все более центральную роль в разработке биоматериалов, ортопедических имплантатов и стоматологических восстановительных средств, в конечном итоге улучшая результаты пациентов посредством более информированного механического тестирования.

Для дальнейшего чтения см. обзор принципов DIC из Correlated Solutions , Инженерный раздел DIC из ScienceDirect и всеобъемлющий образовательный ресурс из Университета Южной Каролины .