Kwantificering van Strain in een varkensmodel van Skin Expansion Met behulp van Multi-View Stereo en Isogeometric Kinematica

Summary

Dit protocol maakt gebruik van multi-view stereo driedimensionale (3D) modellen van niet-gekalibreerde sequenties foto genereren, waardoor het betaalbaar en instelbaar is op een chirurgische omgeving. Stam kaarten tussen de 3D-modellen worden gekwantificeerd-spline gebaseerde isogeometric kinematica, waarin zowel gladde oppervlakken in grove mazen met dezelfde parametrisering vergemakkelijken.

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

Weefselexpansie is veelvuldig toegepast in plastische en reconstructieve chirurgie die huid groeit in vivo voor het corrigeren van grote huiddefecten ^1. Neumann, in 1957, was de eerste chirurg om deze procedure te documenteren. Hij geïmplanteerd een ballon onder de huid van een patiënt en opgeblazen geleidelijk over een periode van enkele weken tot nieuw weefsel groeien en weer de kop opsteken een oor ^2. Huid, zoals de meeste biologische weefsels, past zich aan uitgeoefende krachten en vervormingen om mechanische homeostase te bereiken. Trekkracht dan de fysiologische regeling, huid groeit ^{3, 4.} Een van de belangrijkste voordelen van weefseluitbreiding is de productie van huid met goede vascularisatie en hetzelfde haar lager, mechanische eigenschappen, kleur en patroon als het omringende weefsel ^5.

Na de introductie zes decennia geleden, huid expansion is op grote schaal door plastische en reconstructieve chirurgen vastgesteld en wordt momenteel gebruikt om brandwonden, grote aangeboren afwijkingen en voor borstreconstructie na mastectomie ^{6, 7} corrigeren. Toch, ondanks het wijdverbreide gebruik, de huid procedures expansie kan leiden tot complicaties ^8. Dit is deels te wijten aan het ontbreken van voldoende kwantitatieve gegevens die nodig zijn om de fundamentele Mechanobiologie van de procedure te begrijpen en om de chirurg te begeleiden tijdens de preoperatieve planning ^{9, 10.} Sleutelparameters die bij deze techniek het vulgedeelte, vulvolume per opblazen, de keuze van de vorm en grootte van de uitbreiding en de plaatsing van de inrichting ^{11, 12.} Huidige preoperatieve planning grotendeels op de ervaring van de arts, wat resulteert in een breed scala van willekeurige protocollen die verschillen vaak greatly ^{13, 14, 15.}

De huidige kennishiaten te pakken, geven we een experimenteel protocol om uitzetting veroorzaakte deformatie te kwantificeren in een varkensmodel diermodel weefselexpansie. Het protocol is gebaseerd op het gebruik van multi-view stereo (MVS) om driedimensionale (3D) reconstructie geometrie van sequenties van tweedimensionale (2D) beelden met onbekende cameraposities. Gebruikmakend splines, weergave van gladde oppervlakken leidt tot het berekenen van de overeenkomstige vervorming kaarten via een isogeometric (IGA) Beschrijving. De analyse van de geometrie is gebaseerd op het theoretisch kader van continuümmechanica van membranen met een expliciete parametrisatie ^16.

Karakteriseren van fysiologisch relevante vervormingen van levende materialen gedurende lange perioden van tijd nog steeds een uitdagend probleem. Gemeenschappelijke strategieën voorbeeldvorming van biologische weefsels omvatten stereoscopische digital image correlation, commerciële motion capture systemen met reflecterende markers en tweedekker video fluoroscopie ^{17, 18, 19.} Echter, deze technieken vereisen een beperkende experimentele opstelling, zijn over het algemeen duur, en zijn voornamelijk gebruikt voor ex vivo of acute in vivo-instellingen. Huid heeft het voordeel dat een dunne structuur. Hoewel het uit meerdere lagen, de dermis is grotendeels verantwoordelijk voor de mechanische eigenschappen van het weefsel en daardoor het oppervlak vervormen van primair belang ^20; kinematische redelijke veronderstellingen worden gemaakt over de deformatie buiten het vlak ^{21, 22.} Bovendien wordt de huid reeds blootgesteld aan de buitenomgeving, waardoor het mogelijk conventionele beeldvormende instrumenten te gebruiken om de geometrie te vangen. Heer stellen we het gebruik van MVS als een betaalbare en flexibele benadering van in vivo vervormingen van de huid gedurende enkele weken volgen zonder majorly interfereren met weefselexpansie protocol. MVS is een techniek die 3D-voorstellingen van objecten of scènes uittreksels uit een collectie van 2D-beelden met onbekende camera angles ^23. Pas in de laatste drie jaar hebben verschillende commerciële codes verscheen (zie de lijst van materialen voor voorbeelden). De hoge nauwkeurigheid van het model reconstructie met MVS, met fouten zo laag als 2% ^24, maakt deze aanpak geschikt voor de kinematische karakterisering van de huid in vivo gedurende lange tijd.

De overeenkomstige vervorming kaarten huid tijdens weefselexpansie verkrijgen, worden punten tussen twee geometrische configuraties voldoen. Conventioneel, onderzoekers in computationele biomechanica hebben eindige elementen mazen en inverse analyse gebruikt om de vervorming kaart op te halen^{25, 26.} De IGA benadering even werkzaam gebruikt spline basisfuncties deze is beter voor de analyse van dunne membranen ^{27, 28} bieden. Namelijk, de beschikbaarheid van hoge graad veeltermen vergemakkelijkt representaties van gladde geometrieën zelfs met zeer grof mazen ^{29, 30.} Daarnaast is het mogelijk om dezelfde onderliggende parametrisering aanpassen aan alle oppervlakte patches, die de noodzaak van een inverse probleem om rekening te houden met niet-congruente discretisaties omzeilt de.

De hier beschreven methode opent nieuwe mogelijkheden voor de huid mechaniek in relevante in vivo instellingen gedurende lange tijd te bestuderen. Bovendien, we hebben goede hoop dat onze methodologie is een activerende stap op weg naar het uiteindelijke doel van het ontwikkelen van computationele instrumenten voor persoonlijke planning van de behandeling in de klinische setting. </ P>

Protocol

Dit protocol omvat dierproeven. Het protocol werd goedgekeurd door de IRB van Ann en Robert H. Lurie Children's Hospital van Chicago Research Center Animal Care en gebruik Comite om humane behandeling van dieren te garanderen. De resultaten van beide compensatoren studies met dit protocol zijn elders gepubliceerd 16, 31. Uitvoering van dit protocol vereist een team met complementaire expertise. Het eerste deel van het protocol be…

Representative Results

Deze methode is met succes toegepast om de deformatie geïnduceerd door verschillende geometrieën expander studeren: rechthoek, bol en toenemende expanders 31, 32. De resultaten die overeenkomen met de sfeer en halve maan expanders worden nu besproken. Figuur 2 toont de drie stappen van MVS modelwederopbouw. Het uitgangspunt is een verzameling van foto's uit een statische scene. Het dier met de getatoeëerde…

Discussion

Hier presenteerden we een protocol om de vervormingen geïnduceerd tijdens een weefselexpansie procedure in een varkensmodel behulp van multi-view stereo (MVS) en isogeometric kinematica (IGA kinematica) te karakteriseren. Tijdens weefselexpansie, huid ondergaat grote vervormingen gaande van een glad en relatief vlak oppervlak tot een koepelachtige vorm 3D. Huid, zoals andere biologische membranen ^34, reageert op rekken produceren nieuw materiaal, waardoor op plaatsen die vervolgens kan wor…

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/