CN111380750A - 使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法，属于变形测量技术领域。该方法首先裁切羊膜试样并夹持于拉伸机上，然后将亚甲基蓝溶液注入到细颗粒喷雾器中，在羊膜试样上方使用喷雾器释放亚甲基蓝溶液于羊膜上方空间内，然后随重力自由落下至羊膜表面。然后检查散斑形貌，保证散斑完全覆盖待测表面，使用高分辨率相机采集变形图像，使用形态学方法对DIC计算参数进行优选，最后进行DIC计算，获得生物膜组织的全场变形结果。本方法适用于如羊膜生物组织等生物薄膜组织的散斑图样制作，具有散斑附着性好，无毒无害，实施快速简单、操作易学的特点，成本低廉，便于大规模推广和使用。
Description
技术领域
本发明涉及变形测量技术领域，特别是指一种使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法。
背景技术
羊膜是妊娠过程中包裹胚胎和羊水的一层生物薄膜，其主要起到保护胚胎并提供一个稳定的妊娠环境的作用。研究羊膜的力学性能，不仅有助于研究妊娠辅助，而且还有助于其它应用羊膜作为生物支架材料的医学研究。为了研究羊膜组织的全场受力变形情况，需要借助DIC方法对羊膜单轴拉伸实验下的变形情况进行测量。
数字图像相关法(Digital Image Correlation，DIC)最早实在上世纪80年代初由日本的山口一郎和美国南卡罗来纳大学的Peter和Ranson等[1-2]相互独立提出，通过比较变形前后的数字图像中的子区灰度，来确定变形前的子区在变形后的图像中的位置。近年来，基于DIC方法的非接触式变形测量技术在生物组织变形测量领域得到了广泛的应用[3-11]。DIC方法要求被测物具有全场分布的散斑图案，要求散斑图案定量或定性地满足如下特征：单个散斑的尺寸、所有散斑占ROI的密度分布的随机性和散斑的质量和反光性等等方面。其中最优单个散斑尺寸是3-5pixels，密度为50％左右[12]。
对于诸如金属、水泥或碳复合材料等被测材料，使用油性自喷漆就可以喷涂出可靠的散斑图样，这种使用油性自喷漆制作散斑的方法被称为传统制斑方法。但是，对于如生物薄膜组织，如人体羊膜组织这种被测物，使用传统制斑方法会存在以下困难：
1)羊膜组织颜色呈半透明状，表面没有自然纹理，不能直接只用表面纹理作为散斑进行测量，只能人工在其表面制备散斑图案。
2)羊膜表面附着有大量的水分且表面极其光滑，导致传统的油性漆很难吸附于其表面，容易出现散斑与生物膜表面粘接不牢靠，拉伸中出现滑脱或剥落等问题。
3)有学者[8]选择先将生物组织(如猪脑)覆盖一层白色爽身粉粉末，然后再喷涂自喷漆制作散斑。这样一方面可以提供一个颜色均匀的背景，另一方面还可保证散斑的吸附性。但由于羊膜本身质地轻盈，这种粉末覆盖层会引入过多的重量，从而影响实验过程中羊膜组织的力学性能。
4)现有的大部分自喷漆所用的稀释剂具有一定的毒性，对人体有害。
因此，需要一种新的适用于羊膜组织的散斑材料和制斑方法，以避免上述问题，实现羊膜组织非接触式全场变形测量。
现有的人工散斑制备方法一般都采用如下几种方法来实现：
方法1：人工随机喷涂方法。
中国专利CN101905210A公开了一种用于高温环境变形测量的散斑制作方法，该方法选用经过配比的溶液，使用毛刷或滴管随机点涂、喷溅在试件表面。实际操作中，实验人员需用毛刷头蘸取散斑溶液，一手持毛刷柄，另一手的手指拨动毛刷头，将散斑溶液弹拨到待测试件表面，溶液在试件表面干燥凝固后，形成人工散斑点，上述方法即人工随机喷涂方法
方法2：专用设备刻蚀方法。
中国专利CN102445158A分别公开了一种制作高温散斑的方法，该方法采用了等离子体刻蚀机，利用计算机随机生成大小、数量随机的散斑图像，将图像直接刻蚀到材料表面。
方法3：散斑模板配合各类腐蚀方法。
中国专利CN108195298A公开了一种高温散斑及其可调控制备方法，该方法利用计算机随机生成大小、数量随机的散斑图像，利用机械加工或3D打印方法制作树脂或橡胶材料的散斑模板，采用特制的高温散斑材料溶液，模板铺设到试件表面，溶剂在试件表面固化成型。中国专利CN108036919A公开了一种应用于高超声速飞行器风洞试验的高温散斑制作方法，该方法利用计算机随机生成大小、数量随机的散斑图像，将图像打印到蜡纸上，晾干制作成散斑模板，最终模板放置在金属试样表面，利用电化学腐蚀设备，将散斑图样腐蚀成型。
可见，现有的制斑方法，大多是针对金属和复合材料等硬质材料设计，柔软生物膜组织作为一种生物组织，其材料特性于金属材料具有非常大的差异。
其次，羊膜材料质地非常柔软，这导致制作散斑的方法不能具有物理性的冲击或破坏，并且制斑材料或溶剂不能对膜有损害。
再次，羊膜的最大特点，就是整块生物材料必须一直保持湿润，其表面时刻附着有生理盐水或其它保护溶液。因此，散斑的质量和可靠性是需要优先保证的，要能有一种方法，保证散斑很好的依附于膜表面，并且在变形或运动过程中同生物膜保持较好的一致性。
现有的使用DIC进行生物组织变形测量实验中，主要使用油性漆作为散斑材料，使用铝制/钢制喷雾器喷涂溶解于稀释剂中的油性漆到被测物表面以制作散斑。上述方法主要具有以下问题：1、油性漆所用的稀释剂具有一定的毒性，对人体有害。2、由于羊膜组织表面水润光滑，油性漆在羊膜表面的依附性很差。3、油性漆在大变形情况下可靠性差。因此，需要一种新的散斑材料和制斑方法，以避免上述问题，实现对羊膜组织单轴拉伸实验的高精度变形测量。
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发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法，该方法使用活体染色剂：亚甲基蓝溶液作为散斑材料。亚甲基蓝(Methylene blue)，又称亚甲基蓝、次甲基蓝、次甲蓝、美蓝、品蓝、甲烯蓝、瑞士蓝(Swissblue)，国际非专利药品名称(INN)为methylthioninium chloride。是一种芳香杂环化合物。被用作化学指示剂、染料、生物染色剂和药物使用。亚甲基蓝可以结合核酸,使细胞核呈蓝色.所以用亚甲基蓝溶液染色后,被染为深蓝色的部分是(细胞核)。因此，不同于油性漆只能在材料表面制作散斑图案，本方法使用细颗粒喷雾器作为喷涂亚甲基蓝溶液的喷涂工具，通过控制喷涂距离等参数控制喷涂的散斑尺寸和分布等形貌。随机喷涂的亚甲基蓝可以同生物组织深度结合染色。其附着力优于油性漆，且安全无害。同时，使用细颗粒喷雾器替代喷枪等复杂喷雾设备，不需要预制高压气瓶，可以实现将亚甲基蓝溶液快速喷出雾化，最终在羊膜表面形成随机分布的散斑点。
该方法包括步骤如下：
S1：根据实际要求尺寸，裁切羊膜试样，并夹持于拉伸机上；
S2：制备亚甲基蓝溶液，摇匀并注入到细颗粒喷雾器中；
S3：在羊膜试样上方5-10cm距离处，以细颗粒喷雾器喷嘴中心为基准，将细颗粒喷雾器正向垂直于羊膜试样平面放置，保证细颗粒喷雾器喷口距离羊膜试样几何中心10-15cm；
S4：按下细颗粒喷雾器按钮2-4次，每次间隔15-25s，保证喷出的亚甲基蓝溶液首先释放于羊膜试样上方10-15cm空间内，然后随重力自由落下至羊膜试样表面；
S5：检查羊膜试样表面的散斑形貌，对没有覆盖上散斑的位置，重复上述步骤S3-S4，同时遮盖其它已经布置好散斑的位置；
S6：使用高分辨率相机采集S5中覆盖好散斑的羊膜试样拉伸变形过程的数字图像，针对采集到的散斑图案，使用形态学方法统计分析散斑形貌，进行DIC计算的参数优选；
S7：进行DIC计算，获得生物膜组织的全场变形结果。
其中，S1中拉伸机上需覆盖除羊膜试样外其余表面。
S2中亚甲基蓝溶液制备过程为：按质量百分比为1％，将亚甲基蓝溶于生理盐水中。
S6具体为：使用形态学方法获取单个散斑尺寸，统计尺寸分布规律，提取其中占比60％-70％以上的散斑尺寸作为DIC子区大小的计算参数。
上述亚甲基蓝溶液能够用苏丹红溶液、印度墨水代替。
当亚甲基蓝溶液替换为印度墨水时，细颗粒喷雾器改用中等颗粒规格的喷雾器，其中，细颗粒喷雾器喷孔直径不大于0.5mm，中等颗粒喷雾器喷孔直径为0.5-1.0mm；同理，更大颗粒的溶液需要使用更大规格的粗颗粒喷雾器，粗颗粒喷雾器的喷孔直径大于1.0mm。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，使用了亚甲基蓝作为散斑材料，相较于使用油性漆作为散斑材料，亚甲基蓝最大的优势在于能够深入染色至细胞核，具有更好的依附性能，不会在变形中脱落。此外，亚甲基蓝溶解于生理盐水中，在散斑制作过程中保证了羊膜材料不会脱水干燥而失去生物活性。再有，亚甲基蓝不需要使用如油性漆所使用的稀释剂等有毒有害材料，对于实验操作人员更加健康安全。
本发明使用了美妆喷雾器作为散斑的喷涂雾化工具，相比较于压缩气瓶或喷枪，不需要复杂的制作工艺，并且没有高压气体填充，较为安全。
本发明研究了喷涂亚甲基蓝的制作工艺，定量规定了各项制作参数，相比较现有的依赖于人工手感的喷涂方式，散斑的喷涂制作更加科学规范，且最终的制斑效果可以得到很好地保证。
本发明整体实验成本低廉，操作技术简单易学，便于大规模推广。
本发明为羊膜生物组织应用数字图像相关方法测量提供了可靠有效的散斑制作方法，方法简单高效，成本低廉，可靠性高，能够很好的推动基于数字图像相关方法的羊膜等生物膜组织变形检测技术的发展。
附图说明
图1为本发明的使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法流程图；
图2为本发明的使用喷涂亚甲基蓝溶液制作散斑的制作工艺示意侧视图；
图3为本发明的使用喷涂亚甲基蓝溶液制作散斑的制作工艺示意顶视图；
图4为本发明的使用图像处理形态学方法进行散斑尺寸分布规律统计示意图；
图5为本发明的使用定制化生物膜非接触式全场变形测量系统示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法。
如图1所示，该方法包括步骤如下：
S1：根据实际要求尺寸，裁切羊膜试样，并夹持于拉伸机上；
S2：制备亚甲基蓝溶液，摇匀并注入到细颗粒(喷孔直径不大于0.5mm)喷雾器中；
S3：在羊膜试样上方5-10cm距离处，以细颗粒喷雾器喷嘴中心为基准，将细颗粒喷雾器正向垂直于羊膜试样平面放置，保证细颗粒喷雾器喷口距离羊膜试样几何中心10-15cm；
S4：按下细颗粒喷雾器按钮2-4次，每次间隔15-25s，保证喷出的亚甲基蓝溶液首先释放于羊膜试样上方10-15cm空间内，然后随重力自由落下至羊膜试样表面；
S5：检查羊膜试样表面的散斑形貌，对没有覆盖上散斑的位置，重复上述步骤S3-S4，同时遮盖其它已经布置好散斑的位置；
S6：使用高分辨率相机采集S5中覆盖好散斑的羊膜试样拉伸变形过程的数字图像，针对采集到的散斑图案，使用形态学方法统计分析散斑形貌，进行DIC计算的参数优选；
S7：进行DIC计算，获得生物膜组织的全场变形结果。
在具体实施过程中，裁切羊膜试样为60*15mm大小。如图2和图3所示，在设置中，以细颗粒喷雾器喷嘴为基准，距离羊膜试样的高度在5-10cm，喷雾器正向摆放并且垂直摆放。喷雾器喷嘴距离羊膜几何中心的距离为10-15cm。
如图4所示，对于一副具有各种尺寸散斑的数字图像，需要使用图像处理方法去分别提取出不同尺寸范围的散斑图像，然后进行计数，最终可以得到在不同尺寸范围的散斑的数量分布规律。从而为DIC的计算参数提供参考值。
如图5所示，本发明所使用的定制化生物膜非接触式全场变形测量系统包含一台高分辨率工业相机和镜头、一套LED低频闪补光灯、一台水平拉伸机、光学平台和采集控制工控机以及附属的支架配件等。使用本系统可以实现针对生物膜组织单轴拉伸实验的散斑制作和非接触式全场变形测量。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：根据实际要求尺寸，裁切羊膜试样，并夹持于拉伸机上；
S2：制备亚甲基蓝溶液，摇匀并注入到细颗粒喷雾器中；
S3：在羊膜试样上方5-10cm距离处，以细颗粒喷雾器喷嘴中心为基准，将细颗粒喷雾器正向垂直于羊膜试样平面放置，保证细颗粒喷雾器喷口距离羊膜试样几何中心10-15cm；
S4：按下细颗粒喷雾器按钮2-4次，每次间隔15-25s，保证喷出的亚甲基蓝溶液首先释放于羊膜试样上方10-15cm空间内，然后随重力自由落下至羊膜试样表面；
S5：检查羊膜试样表面的散斑形貌，对没有覆盖上散斑的位置，重复上述步骤S3-S4，同时遮盖其它已经布置好散斑的位置；
S6：使用高分辨率相机采集S5中覆盖好散斑的羊膜试样拉伸变形过程的数字图像，针对采集到的散斑图案，使用形态学方法统计分析散斑形貌，进行DIC计算的参数优选；
S7：进行DIC计算，获得生物膜组织的全场变形结果。
2.根据权利要求1所述的使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法，其特征在于：所述S1中拉伸机上需覆盖除羊膜试样外其余表面。
3.根据权利要求1所述的使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法，其特征在于：所述S2中亚甲基蓝溶液制备过程为：按质量百分比为1％，将亚甲基蓝溶于生理盐水中。
4.根据权利要求1所述的使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法，其特征在于：所述S6具体为：使用形态学方法获取单个散斑尺寸，统计尺寸分布规律，提取其中占比60％-70％以上的散斑尺寸作为DIC子区大小的计算参数。
5.根据权利要求1所述的使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法，其特征在于：所述亚甲基蓝溶液能够用苏丹红溶液、印度墨水代替。
6.根据权利要求5所述的使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法，其特征在于：所述亚甲基蓝溶液替换为印度墨水时，细颗粒喷雾器改用中等颗粒规格的喷雾器。
7.根据权利要求5所述的使用亚甲基蓝制斑的羊膜组织非接触式全场变形测量方法，其特征在于：所述细颗粒喷雾器喷孔直径不大于0.5mm，中等颗粒喷雾器喷孔直径为0.5-1.0mm。
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