利用数字图像相关技术表征血管组织样本上的局部应变

本实验方案的总体目标是对血管组织样本的局部表面应变场进行表征。该目标通过结合单轴拉伸试验的数字图像相关技术来实现。该方法有助于解答软组织力学领域的关键科学问题，并可提供重要信息，用于识别和验证日益复杂的血管组织计算模型与数学模型。

该技术的主要优势在于能够精确量化样品表面的应变场异质性，这种异质性取决于材料的固有特性、符号几何形状以及所采用的测试模式。组织样本一旦到达实验室，立即使用手术剪刀和镊子将其腹主动脉从周围组织中分离出来。随后，使用装有磷酸盐缓冲液（PBS）的注射器冲洗血管三次。

洗涤后，使用剪刀和镊子尽可能去除血管周围组织，同时不破坏样本的完整性。然后，将锋利的刀片垂直于血管的长轴放置在血管中段，切割三次，以制备两个环状样本。接着，将刀片放置在其中一个环状样本上，进行一次径向切割。

将环状样品用力切割成条状，用于单轴力学测试。对两个环状样品均进行此操作。将两个样品暂时存放在盛有PBS的100 mm玻璃培养皿中。

为了在样品表面形成斑点，需准备好喷枪以喷洒组织标记染料。将喷枪连接至压力阀，并将压力调节至100 psi。然后加入组织标记染料。

喷嘴直径必须针对60至100微米的散斑直径进行校准。然后，将组织标记染料喷涂在样本的内膜表面，持续约五秒钟。重复此操作三次，以确保散斑图案均匀覆盖样本表面。

首先，将样品安装到测试装置上。先使用组织粘合剂将样品的两端分别固定在塑料条上。在样品的顶部和底部均放置塑料条，并用粘合剂将其夹紧，形成三明治结构。

将样本平放在组织切片板上，然后使用数显卡尺测量其尺寸。接下来，启动测试设备的系统控制。在系统控制的主屏幕上，于设置选项卡的任务栏中选择波形。

然后，将力学测试仪上夹具的位置调整至负4 mm，以相对于系统中指定的初始位置提供4 mm的延伸。现在，轻轻地将一条塑料条固定在力学测试仪的上夹具中，并使样品自由悬挂。接着，调整下夹具的位置，使样品的自由端可以在无拉伸状态下被固定。

然后，将固定在自由端的塑料条轻轻固定到测试仪的下部夹具中。样品安装完毕后，将系统的载荷传感器归零。接着测量样品的长度，并在计算整体周向应变时将其用作参考长度。

现在，在软件控制中输入力学测试程序。此处施加四次单轴位移循环。每次循环以每秒0.01毫米的位移速率将样品长度延长18%。

为记录测试过程，每隔几秒拍摄一张照片。将相机置于距加载框架1.5 m处，与样品垂直，并对焦于样品。在图像采集软件的选项中选择系统“select PGR2”，然后设置项目路径，以保存待分析的图像。

单击时间方块图标，并将采集间隔设置为5秒。现在，导入获取的图像。放大单个散斑，然后计算该单个散斑内的像素数量。

在确认散斑图案质量后，同时点击系统中的“运行”图标和图像采集软件中的“开始”图标，以启动测试。在整个实验过程中，需间歇性地向样品喷洒PBS，以防止其干燥。但此操作应在样品处于无负载状态时进行，切勿在数据采集期间执行。

打开图像分析软件后，点击“斑点图像”选项卡，选择所有需要分析的图像。然后，点击矩形工具，在第一幅图像中选择感兴趣的区域。接着，输入子区域大小为 31 × 31 像素，步长为 5 像素。

现在点击软件中的“开始分析”选项卡，将插值设置为优化的 8 点梯形。同时，将判据设置为归一化平方差为零，子集权重选项设置为高斯。勾选阈值选项。

它们应保持默认设置。接下来，点击“开始分析”选项卡下的“后处理”子选项卡。选择“字符串计算”选项，并将滤波器大小和滤波器类型保留为默认值。

将张量类型设置为拉格朗日。最后，选择数据选项卡，然后选择一幅已分析的图像以可视化表面应变场。结合单轴力学测试的二维数字图像相关技术（2D DIC）被用于测量血管组织样本在不同变形状态下的表面应变场。

在机械预处理前的低位移曲线中，组织的黏弹性特性通过滞后程度表现得尤为明显。然而，随着预处理的进行，滞后现象逐渐减弱。正如预期，随着施加的样品位移增加，局部周向应变值也随之增大。

与试样夹持界面附近相比，周向应变在试样中心附近通常较小。在纵向方向上，随着试样逐渐被拉伸，其内膜表面产生的非均匀压应变也随之增加。全场应变测量的等高线图中颜色的变化清晰地表明，当主动脉受到名义上的单轴拉伸载荷时，其具有高度的非均匀性。

随后计算了各实验状态下正交方向表面应变场的变异系数。结果发现，表面应变的变化与样品的延伸程度呈反比关系。材料响应的高度异质性通过变异系数（CV）在表格中进行了量化。观看本视频后，您应能够充分理解如何结合数字图像相关技术与血管组织样本的单轴拉伸试验，来量化局部表面力学响应。

该技术问世后，为软组织力学领域的研究人员探索血管组织的生理、病理及调控下的力学响应开辟了道路。