數位影像相關係數法於生醫工程應用之研究

數位影像相關係數法於生醫工程應用之研究

THE APPLICATION OF DIGITAL-IMAGE-CORRELATION

TECHNIQUE in BIOMECHANICS RESEARCHES

童士恒1

Shih-Heng Tung、施明祥2 Ming-Hsiang Shih、葉明龍3 Ming-Long Yeh、俞肇球1 Chao-Chiu Yu、 江政賢3

Cheng-Hsien Ching、陳慶頤3 Ching-Yi Chen、黃渝紋1 Yu-Wen Huang

1

國立高雄大學土木與環境工程學系 National University of Kaohsiung , Department of Civil and Environmental Engineering

2_{國立暨南國際大學土木工程學系 National Chi Nan University, Department of Civil Engineering} 3

國立成功大學醫學工程研究所 National Cheng-Kung University ,Institute of Biomedical Engineering 一、中文摘要 生物力學主要在探討生醫材料、正常及病變 組織與器官的力學性質。傳統上多使用應變計、 伸長計等來量測材料受力後的變形行為，然此些 傳統方法多只能量測單點的應變或區域的平均應 變，加上生醫材料的尺寸、強度都與傳統材料有 很大的差異，且多為非均質與非等向性材料，因 此傳統的量測方法無法觀察到此類材料的真實變 形 行 為 。 數 位 影 像 相 關 係 數 法 (Digital-Image- Correlation Technique)為一非接觸式量測技術，近 年來已被廣泛的應用在材料、土木與機械等領 域。因此本研究以大鼠皮膚為實驗對象，應用數 位影像相關係數法於大鼠皮膚拉伸試驗之量測以 評估術後的癒合情況。研究結果顯示數位影像相 關係數法可清楚的量測到非均質的變形行為，這 表示數位影像相關係數法在生醫材料與組織的力 學行為研究上有很高的應用潛能。 關鍵詞：生物醫學工程、數位影像相關係數法、 非接觸式量測 Abstract

The mechanical properties of biomaterials and normal and diseased tissues and organs are the main studies for the biomechanics. Traditionally, stain gauge, extensimeter, and reflection tracking markers have been used to measure the overall deformation of materials under loading; however, the anisotropy and inhomogeneity of most biological materials restricted the accessibility of the real strain field. Recently, Digital-Image- Correlation technique (DIC) has been used in stain analysis in civil and mechanical engineering and has achieved great success. The purpose of this study is using DIC to measure mechanical property of smaller scale rat skin healing. Our results demonstrate detail strain field during extension in great accuracy. The anisotropic property of healing skin can be clearly demonstrated. This novel DIC should have great potential in biomechanical study in tissue and

biomaterials.

Keywords: Biomedical Engineering，Digital-Image-

Correlation Technique，non-contact measurement

二、緣由與目的 隨著生醫材料技術的演進，許多新材料被創 造出來，用以修補身體組織的缺損。例如，皮膚 敷料、心臟瓣膜、人造肌腱、血管等。除了需考 量基本的生物相容性外，力學性質更密切關係到 材料的使用效能與壽命。而原本生物組織為複雜 非等向性及非均質結構，量化這些天然組織的力 學性質更是規範人造生醫材料性質的根本，因 此，許多學者陸續發展出軟組織力學測試裝置 [1]，藉由材料組成律(constitutive model)量化力學 係數，用來評估軟組織的力學行為。但這些技術 通常無法完全顯現材料非均質性所對應的應變行 為。 近年來數位攝影像素解析度及電腦運算速度 的提升，加上其為一非接觸式的量測技術，並且 可量測全域的位移及應變場，使得數位影像量測 技術在材料、生物力學及土木、機械等多項領域 日益受到重視。因此本文的目的在於探討此項技 術應用至生醫材料力學行為量測之可行性。 三、理論基礎與實驗方法 3-1 數位影像相關係數法 數位影像相關係數法[3]之原理主要在比對試 體變形前後的影像灰階關係。在變形後的影像中 找尋變形前影像中各點的位置，如圖 1 所示，是 種非接觸式且高精度的量測方法。 如圖 1 所示變形前一次級影像中心點位置為 P 點，此次級影像變形後中心位置改為 P*位置， 兩者間之函數關係如下：

*

( , )...(1 )

*

( , )...(1 )

x

x u x y

a

y

y

v x y

b

 

 

圖 1：物體表面上方變形前與變形後次級影像(格 型)之相對位置示意圖[2] 假設變形前影像為 A 而變形後影像為 B，兩 者間之相關程度可以如下定義之相關係數來評判 [2][3]：





2 2

...(2)

ij ij ij ij

g g

COF

g

g







其中，

g

_ij和



g

_ij分別是影像 A 在

( , )

i j

座標上 和影像 B 在

( , )

i j

座標上的灰階值；而

( , )

i j

座標 為影像 A 上

( , )

i j

座標在影像 B 上的對應點座標。 相關係數越大表示兩者間之相關性越強，相關係 數值為 1 時，表示影像 B 確實為影像 A 變形後之 影像。 對未變形的影像，可應用有限元素法的觀 念，將影像切割成網格，每一格子視為一個次級 影像。利用上述的數位影像相關係數法分別對每 一個次級影像進行分析，找出每一次級影像在變 形後的位置，如此可以定出網格上各結點在變形 前後的位置。之後可以利用有限元素法之概念建 立整個分析區域之位移、應變場。 3-2 實驗儀器與材料 3-2-1 實驗儀器 1. 拉力測試機台：實驗所使用之拉力測試機台 為 Microforce Testing System TytronTM250， 速度範圍介於 0.000018~3000 mm/min、位移 範圍介於 0.0001~100 mm、負載範圍介於 0.001～250 N、頻率範圍介於 0.001～50 Hz 之間。主機架構包含臥式平台、線性位移致 動器以及可調式橫軛。 2. 數位相機：相機使用 Canon EOS 400D 機身， 搭配 Canon EF-S 60 mm f/2.8 Macro USM 鏡 頭以及環狀冷光燈源。 3. 噴漆：合成樹指塗料，在水中不易暈開，用 於產生分析用之記號。 4. 夾具及水箱：由於生醫材料的的力學嚴重受 到含水量的影響，因此實驗過程中必須將試 體泡至水中操作，避免試體置於空氣中因水 份流失而影響強度及力學性質。為配合 MTS 拉力拉力測試機台及水箱，特別規劃組合式 夾具進行試驗。 3-2-2 實驗材料 本實驗的動物實驗已通過成大醫院之動物使 用與照護委員會(Institutional Animal Use and care Committee (IACUC)) 核準[1]。一隻體重約 200g

大 鼠 先 施 以 10%(w/v) 水 化 氯 醛 (Chloral

hydrate)，以 400mg/kg 進行腹腔麻醉，

將動物 背部去毛，以酒精消毒後，以標記筆區分老鼠背 部 4 塊區域，利用消毒滅菌過的解剖刀，沿垂直 於頭尾方向切割，分別將皮膚平整切開 3 個 2 公 分的傷口。術後 7 天拆線，並於術後四週後，將 老鼠施行安樂死，取下 5 cm×3 cm 試體並利用切 試片器切出標準試片，實驗過程如圖 2 所示，標 準試片尺寸如圖 3 所示。

圖 2、動物實驗過程

圖 3：標準試片尺寸圖(單位：mm) 3-3 DIC 分析實驗步驟 1. 鼠皮試體切成標準試片後先將皮毛刮除乾 淨，再利用噴漆在試體上做出不規則記號， 並固定於組合式的夾具上，夾具如圖 4 所示。 2. 將水箱裝滿水置於 MTS 拉力測試機台中間 處，並將與 MTS 機台組合之夾具固定於機台 上，夾具如圖 5 所示。爾後將上述夾具與步 驟 1 之夾具組合、固定並調整至水箱中間， 組合方式如圖 6 所示。

3. 數位相機置於試體正前方，調整位置及焦 距，實驗配置如圖 7 所示。 4. 將電腦與數位相機連接，設定 MTS 拉力測試 機台之拉伸速率為每分鐘 2 mm。 5. 每五秒擷取一張影像即時傳輸給電腦儲存， 待試體拉伸斷裂後結束 MTS 拉伸以及影像 拍攝。 6. 分析時以第 0 秒時所擷取的影像當作變形前 影像，每 5 秒所擷取的影像為變形後影像。 進行 DIC 分析，量測試體表面的位移場以及 應變場，藉應變場之品質判別 DIC 應用於生 醫材料之效果與可行性， 圖 4：固定試體之夾具 圖 5：與機台固定之夾具 圖 6：夾具組合方式 圖 7：實驗配置圖 四、分析結果與討論 4-1 分析結果 4-1-1 DIC 分析結果 實驗共擷取 102 張影像，試體在 40 張時開始 斷裂，第 77 張時 DIC 分析所需之記號受損，於 97 張時試體完全斷裂。分析時以第 0 秒時所擷取 的影像當作變形前影像，每 5 秒所擷取的影像為 變形後，以 48 pixels 大小之網格進行 DIC 分析。 由於第 77 張時記號破裂，因此獲得之分析數據共 有 75 組。拍攝所得變形前影像如圖 8 所示，紅色 線段為分析區域，黃色線段則為原始縫線位置。 分析結果如圖 9 所示。 圖 8：分析試體的範圍與網格及縫線位置 分析結果可以發現圖 9 中的網格色塊左半邊 有明顯且約略呈直線走向的最大應變區域。與試 體對照之下，最大應變區域發生在縫合處，由此 可得知，試體縫合處之質料較為軟弱。 圖 9：DIC 分析與 MTS 試驗結果

4-1-2 MTS 分析結果 MTS 拉伸試驗機台拉伸速率為一分鐘拉伸 2 mm，其時間與軸力之關係如圖 9 之曲線所示。由 圖 9 可以發現曲線上升過程中有幾個下降處，造 成下降處的原因可能是試體局部組織斷裂所致。 4-2 討論 由 DIC 實驗分析結果可以得知縫合處承受最 大應變，且隨縫合處的拉伸越來越大，分析結果 顯示的紅色區域(即最大應變區域)亦越寬。而根據 MTS 拉力測試機台所提供的數據顯示試體所能承 受的最大軸力約為 2 N，但隨著試體厚度的差異， 所能承受之軸力略有不同。 以肉眼判釋數位相機所擷取的影像，試體約 在拉伸 200 秒後開始有斷裂現象，而 MTS 拉力測 試機台分析結果判釋約在 175 秒左右開始斷裂。 但是 DIC 分析結果早在拉伸 5 秒後就已可發現最 大應變產生之區域，如圖 10 所示。可知該區域可 能會是斷裂發生處，而最後斷裂發生地方也確實 與應變最大發生處一致。 圖 10：拉伸五秒之應變場圖 最初實驗時使用未泡水的軟組織進行力學測 試，擷取的影像產生許多反光造成之雜亂分布的 亮點，嚴重影響分析結果的準確性，如圖 11 所示。 由於水和空氣的折射率不同，因此本次實驗規劃 水箱將試體泡在水裡進行拉伸試驗，將試體以水 包覆後確實能改善反光問題[5]，如圖 12 所示，且 解決了生醫材料之力學性質嚴重受到含水量影響 等相關問題。 圖 11：影像擷取之反光亮點 圖 12：置於水中拍攝之試體影像 五、結論 本研究將數位影像相關係數法應用於生醫材 料之力學實驗量測中，藉以探討可行性與準確 性，由實驗結果可得到下列結論： 1. 將試體泡置在水中進行實驗，光線經過水這 個介質後，可以明顯的改善反光之情形，提 升影像之品質，增加分析的準確性。 2. DIC 分析所得之應變場得知應變集中區域之 時間點較 MTS 機台與傳統目視測量結果 早，提早發現試體可能破壞之區域。 3. 由 DIC 分析所得之應變場可發現最大應變區 域與縫線位置吻合，可知 DIC 分析可獲得較 高的量測準確性。 4. 應變計材質比軟組織堅硬許多，難以架設在 軟組織上，因此傳統軟組織應變之量測只能 利用目視量測，且只能獲取平均應變，無法 得知最大應變發生之位置。DIC 分析可獲得 試體的應變場而不是單一的平均應變，能從 其中獲取較多之資訊，其準確性也比傳統的 目視量測高出許多。 六、參考文獻 [1] 葉政鑫，2008 年 7 月，「以力學觀點評估 不同縫線技術對皮膚創傷癒和之影響」，國 立成功大學醫學工程研究所。

[2] Chu,T.C., Ranson, W.F., Sutton, M.A. and Peters, W.H.(1985), “Application of digital- image- correlation techniques to experimental mechanics”, Experimental Mechanics, 25(3) , p.232.

[3] Russell, S.S. and Sutton, M.A. (1989), “Strain field analysis aquired through correlation of x-ray radiography of a fiber reinforce composite laminate”, Experimental Mechanics, 29, p.237-240. [4] 童士恒，施明祥，郭瑞昭，翁孟嘉，2008， 「 數 位 影 像 關 係 數 法 於 土 木 監 檢 測 之 應 用」。地工技術，第 117 期(9 月)，81-90 頁。 [5] 施明祥，童士恒，郭瑞昭，吳宛錚，2009， 「液態介質於降低反光對微觀數位影像相 關係法影響之探討」，電子計算機於土木利 工程應用研討會，

715-720 頁。