Kvantifisering av Strain i en svinekjøtt Model of Skin Expansion Bruke Multi-View Stereo og Isogeometric Kinematikk

Summary

Denne protokollen bruker multi-vis stereo til å generere tre-dimensjonale (3D) modeller av ukalibrerte sekvenser av bilder, slik at det er rimelig og kan justeres til en kirurgisk innstilling. Strekkkart mellom 3D modellene blir kvantifisert med spline-baserte isogeometric kinematikk, som letter fremstilling av glatte flater over grove masker som deler den samme parametriseringen.

Abstract

Tissue expansion is a popular technique in plastic and reconstructive surgery that grows skin in vivo for correction of large defects such as burns and giant congenital nevi. Despite its widespread use, planning and executing an expansion protocol is challenging due to the difficulty in measuring the deformation imposed at each inflation step and over the length of the procedure. Quantifying the deformation fields is crucial, as the distribution of stretch over time determines the rate and amount of skin grown at the end of the treatment. In this manuscript, we present a method to study tissue expansion in order to gain quantitative knowledge of the deformations induced during an expansion process. This experimental protocol incorporates multi-view stereo and isogeometric kinematic analysis in a porcine model of tissue expansion. Multi-view stereo allows three-dimensional geometric reconstruction from uncalibrated sequences of images. The isogeometric kinematic analysis uses splines to describe the regional deformations between smooth surfaces with few mesh points. Our protocol has the potential to bridge the gap between basic scientific inquiry regarding the mechanics of skin expansion and the clinical setting. Eventually, we expect that the knowledge gained with our methodology will enable treatment planning using computational simulations of skin deformation in a personalized manner.

Introduction

Tissue utvidelse er en vanlig teknikk i plastisk og rekonstruktiv kirurgi som vokser hud in vivo for korreksjon av store kutane defekter ^1. Neumann, i 1957, var den første kirurg å dokumentere denne prosedyren. Han implantert en ballong under huden på en pasient og oppblåst det gradvis over en periode på flere uker å vokse nytt vev og gjenoppstår øre ^2. Skin, som de fleste biologiske vev, tilpasser seg påførte krefter og deformasjoner for å nå mekanisk homeostase. Når strukket utover den fysiologiske regimet, huden vokser ^{tre, fire.} En av de sentrale fordelene med vev utvidelse er produksjonen av huden med riktig vaskularisering og det samme hår lageret, mekaniske egenskaper, farge og tekstur som det omgivende vev ^5.

Etter introduksjonen seks tiår siden, hud expansion har vært i omfattende bruk av plastisk og rekonstruktiv kirurgi, og blir for tiden anvendt til å korrigere brannsår, store medfødte defekter, og for rekonstruksjon etter mastektomi ^{6, 7.} Likevel, til tross for sin utstrakte bruk, kan huden utvidelse prosedyrer føre til komplikasjoner ^8. Dette er delvis på grunn av mangel på tilstrekkelig kvantitative bevis for å forstå den grunnleggende mechanobiology av prosedyren og å veilede kirurgen under preoperativ planlegging ^{9, 10.} Viktige parametere i denne teknikken er fyllehastigheten, fylle- volum pr inflasjon, valg av formen og størrelsen av ekspanderen, og plassering av anordningen ^{11, 12.} Nåværende preoperativ planlegging bygger i stor grad på legens erfaring, noe som resulterer i et bredt spekter av vilkårlige protokoller som ofte skiller greatly ^{13, 14, 15.}

For å møte de nåværende kunnskapshullene presenterer vi en forsøksprotokoll for å kvantifisere ekspansjons-indusert deformasjon i et svine dyremodell av vev ekspansjon. Protokollen er avhengig av bruk av multi-view stereo (MVS) for å rekonstruere tre-dimensjonale (3D) geometrier ut av sekvenser av to-dimensjonale (2D) bilder med ukjente kameraposisjoner. Ved å anvende kilespor, representasjon av glatte overflater fører til beregning av de tilsvarende deformasjoner kart ved hjelp av en isogeometric (IGA) beskrivelse. Analysen av geometrien er basert på teoretiske rammen av kontinuumsmekanikk av membraner som har en eksplisitt parametrisering ^16.

Karakter fysiologisk relevante deformasjoner av levende materialer over lange perioder fortsatt et utfordrende problem. Felles strategier foravbildning av biologiske vev omfatter stereoskopisk digitalt bildekorrelasjon, kommersielle bevegelse capture system med reflekterende markører, og biplan video gjennomlysning ^{17, 18, 19.} Men disse teknikkene krever en restriktiv eksperimentelle oppsett, er generelt kostbare, og har primært vært brukt for ex vivo eller in vivo akutt innstillinger. Hud har fordelen av å være en tynn struktur. Selv om det består av flere lag, er det dermis i stor grad ansvarlig for de mekaniske egenskapene til vevet, og således blir overflatedeformasjon er av primær betydning ^20; rimelige kinematiske antagelser kan bli gjort med hensyn til ut av planet deformasjon ^{21, 22.} Videre er huden allerede er utsatt for det ytre miljø, noe som gjør det mulig å anvende konvensjonelle bildebehandlings verktøy for å fange dens geometri. Here foreslår bruken av MVS som en rimelig og fleksibel måte for å overvåke in vivo deformasjoner av hud i løpet av flere uker uten å forstyrre majorly med en vev utvidelse protokoll. MVS er en teknikk som trekker ut 3D-gjengivelser av gjenstandene eller scener fra en samling av 2D-bilder med ukjent kameravinkler ^23. Bare i løpet av de siste tre årene har flere kommersielle koder dukket opp (se liste over materialer for eksempler). Den høye nøyaktighet av modellen rekonstruksjon med MVS, med feil så lavt som 2% ^24, gjør at denne metode er egnet for den kinematiske karakterisering av hud in vivo over lange tidsperioder.

For å oppnå de tilsvarende deformasjoner kartene over huden under vev ekspansjon, blir punktene mellom to geometriske former matchet. Konvensjonelt har forskere i beregnings biomekaniske benytter gjennomgående element masker og invers analyse for å hente kart deformasjonen^{25, 26.} IGA metode som anvendes her benytter spline basisfunksjoner som gir flere fordeler for analyse av tynne membraner ^{27, 28.} Nemlig, tilgjengeligheten av høy grad forenkler polynomer representasjoner av glatte geometrier, selv med meget grove masker ^{29, 30.} I tillegg er det mulig å tilpasse den samme underliggende parametriseringen til alle overflate plaster, som omgår behovet for et inverst problem for å gjøre rede for ikke-matchende discretizations.

Metoden som beskrives her åpner nye veier for å studere hud mekanikken i relevante in vivo innstillinger over lange perioder. I tillegg er vi håper at vår metodikk er et utviklende skritt mot det endelige målet om å utvikle dataverktøy for personlig behandling planlegging i klinisk setting. </ P>

Protocol

Denne protokollen innbefatter dyreforsøk. Protokollen ble godkjent av IRB av Ann og Robert H. Lurie Children Hospital of Chicago Research Center Animal Care og bruk komité for å garantere human behandling av dyr. Resultatene for to ekspansjons studier ved anvendelse av denne protokollen er blitt publisert andre steder 16, 31. Gjennomføring av denne protokollen krever et team med komplementær kompetanse. Den første del av protok…

Representative Results

Denne metodikken har vært anvendt med hell for å studere den deformasjon som induseres av forskjellige ekspansjons geometrier: rektangel, sfære og halvmåne ekspandere 31, 32. Resultatene som tilsvarer de sfæriske og halvmåneformet ekspanderne er diskutert neste. Figur 2 illustrerer de tre trinnene i MVS modell gjenoppbygging. Utgangspunktet er en samling av fotografier fra en statisk scene. Dyret med tatove…

Discussion

Her presenteres vi en protokoll for å karakterisere de deformasjoner som induseres i løpet av et vev ekspansjon prosedyre i et svine-modell ved hjelp av multi-vis stereo (MVS) og isogeometric kinematikk (IGA kinematikk). Under ekspansjonen vev, hud gjennomgår store deformasjoner som går fra en glatt og forholdsvis flat overflate til en kuppellignende 3D-form. Hud, i likhet med andre biologiske membraner ^34, svarer til å strekke seg ved fremstilling av nytt materiale, noe som øker i ar…

Materials

Yucatan miniature swine	Sinclair Bioresources, Windham, ME	N/A
Antibiotics	Santa Cruz Animal Health, Paso Robles, CA	sc-362931Rx	Ceftiofur, dosage 5mg/kg intramuscular
Chlorhexidine-based surgical soap	Cardinal Health, Dublin, OH	AS-4CHGL(4-32)	4% chlorhexidine gluconate surgical hand scrub
Tattoo transfer medium	Hildbrandt Tattoo Supply, Point Roberts, WA	TRANSF	Stencil thermal tattoo transfer paper
Lidocaine with epinephrine	ACE Surgical Supply Co, Brockton, MA	001-1423	Lidocaine Hcl 1% (Xylocaine) – Epinephrine 1:100,000, 20ml
Buprenorphine	ZooPharm, Windsor, CO		1 mg/ml sustained release, dosage 0.01 mg/kg intramuscular
Digital camera	Sony	Alpha33	Standard digital camera with 18-35mm lens, 3.5-5.6 aperture. Used in automatic mode, no flash
Tape measure	Medline, Mundelein, Illinois	NON171330	Retractable tape measure, cloth, plastic case, 72inches
Tissue expanders	PMT, Chanhassen, MN	03610-06-02	4cm x 6cm, rectangular, 120cc, 3610 series 2 stage tissue expander with standard port
ReCap360	Autodesk	N/A	MVS Software, Web application: recap360.autodesk.com
Blender	Blender Foundation	N/A	Computer Graphics Software, open source: blender.org
SISL	SINTEF	N/A	C++ spline libraries, open source: https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/