オープンソースのデジタル画像相関 による 腱の局所組織ひずみの測定
Summary
この論文では、腱の外植片内の局所的な2D組織ひずみを測定するためのオープンソースのデジタル画像相関アルゴリズムについて説明します。この手法の精度は、複数の手法を使用して検証されており、一般に利用できます。
Abstract
腱細胞がその 場で 経験する株と、これらの株が組織のリモデリングにどのように影響するかを理解することには、かなりの科学的関心があります。この関心に基づいて、負荷中に腱外植片内の局所組織株を測定するためのいくつかの分析技術が開発されてきた。ただし、いくつかのケースでは、これらの手法の精度と感度は報告されておらず、どのアルゴリズムも公開されていません。これにより、腱の外植片における局所組織株のより広範な測定が困難になりました。したがって、この論文の目的は、腱外植片の局所組織株を測定するための検証済みの分析ツールを作成することでした。具体的には、公開されている拡張ラグランジュデジタル画像相関(ALDIC)アルゴリズムを、一軸張力下でマウスアキレス腱内の細胞核の変位を追跡することにより、2D株を測定するために適合されました。さらに、計算されたひずみの精度は、デジタル変換された画像を分析することによって、および株を独立した技術(すなわち、光漂白線)から決定された値と比較することによって検証されました。最後に、計算された変位場を使用して参照画像を再構築する手法がアルゴリズムに組み込まれ、既知のひずみ値がない場合のアルゴリズムの精度を評価するために使用できる、または二次測定技術。このアルゴリズムは、0.00015の精度で最大0.1のひずみを測定できます。再構成された参照画像と実際の参照画像を比較する手法は、誤ったデータを持つサンプルを特定することに成功し、良好なデータを持つサンプルでは、変位場の約85%が正確であることを示しました。最後に、マウスのアキレス腱で測定された株は、以前の文献と一致していました。したがって、このアルゴリズムは、腱の局所組織ひずみを正確に測定するための非常に有用で適応性のあるツールです。
Introduction
腱は、機械的負荷に応答して適応および変性する機械感受性組織です1,2,3,4。腱細胞の生物学において機械的刺激が果たす役割のために、腱細胞が負荷中に天然の組織環境で経験する株を理解することに大きな関心があります。腱の局所組織株を測定するために、いくつかの実験的および分析的技術が開発されている。これらには、スペックルパターンまたはフォトブリーチングライン(PBL)のいずれかを使用した表面ひずみの2D/3Dデジタル画像相関(DIC)分析5,6,7,8、組織内の個々の核の重心間距離の変化の測定9,10、および面外運動と3D変形を考慮した最近のフルフィールド3D DIC法が含まれます11.しかし、これらの手法の精度や感度はごくわずかしか報告されておらず、いずれも公開されていないため、普及・活用は困難である。
この研究の目的は、腱外植片の局所組織株を測定するための検証済みの分析ツールを作成することでした。選択された方法は、YangとBhattacharya12によって開発されたMATLABで書かれた公開されている拡張ラグランジュデジタル画像相関(ALDIC)アルゴリズムに基づいています。このアルゴリズムは、腱サンプルの分析に適合し、デジタル変換された画像に適用し、実際の腱サンプルで測定されたひずみを光退色の線から得られた結果と比較することによって検証されました。さらに、既知のひずみ値や二次測定技術がない場合でも、計算された変位場の精度を確認するための追加機能がアルゴリズムに実装されました。したがって、このアルゴリズムは、腱の局所2D組織ひずみを正確に測定するための非常に有用で適応性のあるツールです。
Protocol
Representative Results
Discussion
この論文の目的は、引張荷重下で腱の2Dひずみ場を測定するためのオープンソースの検証済み方法を提供することでした。ソフトウェアの基礎は、公開されているALDICアルゴリズム12に基づいていました。このアルゴリズムは、インクリメンタル(累積)ひずみ解析の機能が追加され、より大きなMATLABコードに埋め込まれました。次に、この適応アルゴリズムを腱の引張試験に?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、国立衛生研究所(R21 AR079095)と国立科学財団(2142627)によって資金提供されました。
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 |
References
- 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).
