通过开源数字图像相关 测量 肌腱中的局部组织应变
Summary
本文介绍了一种用于测量肌腱外植体内局部二维组织菌株的开源数字图像相关算法。该技术的准确性已使用多种技术进行了验证，并且可供公众使用。
Abstract
了解肌腱细胞原 位 经历的菌株以及这些菌株如何影响组织重塑具有相当大的科学兴趣。基于这种兴趣，已经开发了几种分析技术来测量加载过程中肌腱外植体内的局部组织菌株。然而，在一些情况下，这些技术的准确性和灵敏度尚未被报道，并且没有一种算法是公开可用的。这使得更广泛地测量肌腱外植体中的局部组织菌株变得困难。因此，本文的目的是创建一个经过验证的分析工具，用于测量肌腱外植体中的局部组织菌株，该工具易于获得且易于使用。具体而言，一种公开可用的增强拉格朗日数字图像相关（ALDIC）算法通过跟踪单轴张力下小鼠跟腱内细胞核的位移来测量2D菌株。此外，通过分析数字转换的图像，以及将应变与独立技术确定的值（即光漂白线）进行比较，验证了计算菌株的准确性。最后，将一种技术纳入算法中，利用计算出的位移场重建参考图像，可用于在没有已知应变值或二次测量技术的情况下评估算法的精度。该算法能够测量高达 0.1 的应变，精度为 0.00015。将重建的参考图像与实际参考图像进行比较的技术成功地识别了具有错误数据的样本，并表明在具有良好数据的样本中，大约85%的位移场是准确的。最后，在小鼠跟腱中测量的菌株与先前的文献一致。因此，该算法是准确测量肌腱局部组织应变的非常有用且适应性强的工具。
Introduction
肌腱是机械敏感组织，响应机械负荷而适应和退化1，2，3，4。由于机械刺激在肌腱细胞生物学中的作用，人们对了解肌腱细胞在加载过程中在天然组织环境中经历的菌株非常感兴趣。已经开发了几种实验和分析技术来测量肌腱中的局部组织菌株。其中包括使用斑点图案或光漂白线（PBL）对表面应变进行2D/3D数字图像相关（DIC）分析5，6，7，8，测量组织内单个细胞核的质心到质心距离的变化9，10，以及最近的全场3D DIC方法，该方法考虑了面外运动和3D变形11.然而，这些技术的准确性和灵敏度仅在少数情况下被报道，并且这些技术都没有公开，这使得这些技术的广泛采用和利用变得困难。
这项工作的目的是创建一个经过验证的分析工具，用于测量肌腱外植体中的局部组织菌株，该工具易于获得且易于使用。所选择的方法基于由Yang和Bhattacharya12开发的用MATLAB编写的公开可用的增强拉格朗日数字图像相关（ALDIC）算法。该算法适用于分析肌腱样品，并通过将其应用于数字转换图像并将实际肌腱样品中测量的应变与从光漂白线获得的结果进行比较来验证。此外，算法中还实现了附加功能，即使在没有已知应变值或二次测量技术的情况下，也能确认计算出的位移场的准确性。因此，该算法是准确测量肌腱局部二维组织应变的非常有用且适应性强的工具。
Protocol
Representative Results
Discussion
本文的目的是提供一种开源的、经过验证的方法来测量拉伸载荷下肌腱中的二维应变场。该软件的基础是基于公开可用的ALDIC算法12。该算法被嵌入到更大的 MATLAB 代码中，并增加了增量（相对于累积）应变分析的功能。然后将这种适应的算法应用于肌腱的拉伸测试，并通过两种不同的技术（即，数字转换图像和使用光漂白线的应变测量）评估其准确性。此外，还增加了一种功能?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作由美国国立卫生研究院（R21 AR079095）和美国国家科学基金会（2142627）资助。
Materials
| 5-DTAF (5-(4,6-Dichlorotriazinyl) Aminofluorescein), single isomer | ThermoFisher | D16 | |
| Calipers | Mitutoyo | 500-196-30 | |
| Confocal Microscope | Nikon | A1R HD | |
| Corning LSE Vortex Mixer | Coning | 6775 | |
| DRAQ5 Fluorescent Probe Solution (5 mM) | ThermoFisher | 62554 | |
| MATLAB | MathWorks | R2022b | |
| Tensile Loading Device | N/A | N/A | Tensile loading device described in Peterson et al, 2020. (ref 13) |
| Tube Revolver Rotator | ThermoFisher | 88881001 |
Referencias
- Devkota, A. C. Distributing a fixed amount of cyclic loading to tendon explants over longer periods induces greater cellular and mechanical responses. Journal of Orthopaedic Research. 11 (4), 1609-1612 (2007).
- Sun, H. B., et al. Cycle-dependent matrix remodeling gene expression response in fatigue-loaded rat patellar tendons. Journal of Orthopaedic Research. 28 (10), 1380-1386 (2010).
- Shepherd, J. H., Screen, H. R. C. Fatigue loading of tendon. International Journal of Experimental Pathology. 94 (4), 260-270 (2013).
- Paschall, L., Pedaprolu, K., Carrozzi, S., Dhawan, A., Szczesny, S. Mechanical stimulation as both the cause and the cure of tendon and ligament injuries. Regenerative Rehabilitation: From Basic Science to the Clinic. , 359-386 (2022).
- Andarawis-Puri, N., Ricchetti, E. T., Soslowsky, L. J. Rotator cuff tendon strain correlates with tear propagation. Journal of Biomechanics. 42 (2), 158-163 (2009).
- Cheng, V. W. T., Screen, H. R. C. The micro-structural strain response of tendon. Journal of Materials Science. 42 (21), 8957-8965 (2007).
- Luyckx, T., et al. Digital image correlation as a tool for three-dimensional strain analysis in human tendon tissue. Journal of Experimental Orthopaedics. 1 (1), 7 (2014).
- Duncan, N. A., Bruehlmann, S. B., Hunter, C. J., Shao, X., Kelly, E. J. In situ cell-matrix mechanics in tendon fascicles and seeded collagen gels: Implications for the multiscale design of biomaterials. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 17 (1), 39-47 (2014).
- Arnoczky, S. P., Lavagnino, M., Whallon, J. H., Hoonjan, A. In situ cell nucleus deformation in tendons under tensile load; A morphological analysis using confocal laser microscopy. Journal of Orthopaedic Research. 20 (1), 29-35 (2002).
- Screen, H. R. C., Bader, D. L., Lee, D. A., Shelton, J. C. Local strain measurement within tendon. Strain. 40 (4), 157-163 (2004).
- Fung, A. K., Paredes, J. J., Andarawis-Puri, N. Novel image analysis methods for quantification of in situ 3-D tendon cell and matrix strain. Journal of Biomechanics. 67, 184-189 (2018).
- Yang, J., Bhattacharya, K. Augmented Lagrangian digital image correlation. Experimental Mechanics. 59 (2), 187-205 (2019).
- Peterson, B. E., Szczesny, S. E. Dependence of tendon multiscale mechanics on sample gauge length is consistent with discontinuous collagen fibrils. Acta Biomaterialia. 117, 302-309 (2020).
- Humphrey, J. D., O’Rourke, S. L. . An Introduction to Biomechanics. , (2015).
- Reese, S. P., Weiss, J. A. Tendon fascicles exhibit a linear correlation between Poisson’s ratio and force during uniaxial stress relaxation. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (3), 34501 (2013).
- Ahmadzadeh, H., Freedman, B. R., Connizzo, B. K., Soslowsky, L. J., Shenoy, V. B. Micromechanical poroelastic finite element and shear-lag models of tendon predict large strain dependent Poisson’s ratios and fluid expulsion under tensile loading. Acta Biomaterialia. 22, 83-91 (2015).
- Szczesny, S. E., Elliott, D. M. Interfibrillar shear stress is the loading mechanism of collagen fibrils in tendon. Acta Biomaterialia. 10 (6), 2582-2590 (2014).
- Han, W. M., et al. Macro- to microscale strain transfer in fibrous tissues is heterogeneous and tissue-specific. Biophysical Journal. 105 (3), 807-817 (2013).
- Pedaprolu, K., Szczesny, S. E. A novel, open-source, low-cost bioreactor for load-controlled cyclic loading of tendon explants. Journal of Biomechanical Engineering. 144 (8), 084505 (2022).
- Gatt, R., et al. Negative Poisson’s ratios in tendons: An unexpected mechanical response. Acta Biomaterialia. 24, 201-208 (2015).
