マルチビューステレオとIsogeometric運動学を用いた皮膚展開のブタモデルにおけるひずみの定量化
Summary
このプロトコルは、手頃な価格で、外科的設定に調整可能な製造、写真の未較正配列のうちの3次元（3D）モデルを生成する多視点ステレオを使用します。 3Dモデルとの間の歪みマップは、同じパラメータを共有粗いメッシュ上に滑らかな表面の表現を容易にするスプラインベースisogeometric運動で定量化されます。
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
組織拡張は、大きな皮膚欠陥1の補正のためにin vivoで皮膚を成長プラスチックおよび再建手術における一般的な技術です。ノイマンは、1957年に、この手順を文書化する最初の外科医でした。彼は患者の皮膚の下にバルーンを移植し、新たな組織を成長させ、耳2を再浮上するために数週間の期間をかけて徐々にそれを膨らませます。皮膚、ほとんどの生物学的組織のように、機械的恒常性に到達するために加えられた力と変形に適応します。生理的な政権を超えて伸ばしたとき、皮膚は3、4を成長します。組織膨張の中心の利点の一つは、周辺組織5として適切な血管新生と同じヘアベアリング、機械的特性、色、およびテクスチャと皮膚の製造です。
60年前、その導入後、皮膚expansionが広くプラスチックおよび再建外科医によって採用されており、現在火傷を補正するために使用される、大先天性欠損、および乳房切除6後の乳房再建、7。しかし、その広範な使用にもかかわらず、皮膚の拡張手順は合併症8につながることができます。これは、一部の手順の基本的なメカノを理解し、術前計画9、10中に外科医を誘導するために必要な十分な定量的な証拠が不足しているためです。この技術における重要なパラメータは、インフレあたりの体積、膨張機の形状及びサイズの選択、デバイス11,12の配置を充填、充填率です。現在の術前計画は、多くの場合、greatlを異なる任意のプロトコルの多種多様で、その結果、医師の経験に大きく依存していますY 13、14、15。
現在の知識のギャップに対処するために、我々は、組織拡張のブタ動物モデルにおいて膨張による変形を定量化するための実験プロトコルを提示します。プロトコルは、未知のカメラ位置で2次元（2D）画像のシーケンスから3次元（3D）ジオメトリを再構成するマルチビューステレオ（MVS）の使用に依存しています。スプライン用い、滑らかな表面の表現はisogeometric（IGA）の記述によって、対応する変形マップの計算につながります。幾何学の分析は、明示的パラメータ16を有する膜の連続体力学の理論的枠組みに基づいています。
長期間にわたって生活の物質の生理的に関連する変形を特徴づけることはまだ困難な問題が残っています。以下のための共通の戦略生体組織のイメージングは、立体デジタル画像相関、反射性マーカーを有する市販のモーションキャプチャシステム、及び複葉ビデオ透視17、18、19を含みます。しかし、これらの技術は、制限的実験を必要とし、一般的に高価であり、主にex vivoでまたはin vivoの設定で 、急性のために使用されています。皮膚が薄い構造であるという利点を有しています。それはいくつかの層から成っていても、真皮は、組織の機械的特性の大きな原因であり、したがって表面の変形が最も重要20です。合理的な運動学的な仮定は、平面変形21、22のうちについて行うことができます。また、皮膚はすでにそれは可能そのジオメトリをキャプチャするために、従来のイメージングツールを使用すること、外部環境にさらされています。 HERE我々は、組織拡張プロトコルにすぎなかっ干渉することなく、数週間にわたって皮膚のin vivoでの変形を監視するための手頃な価格で柔軟なアプローチとしてMVSの使用を提案しています。 MVSは、23角未知のカメラで2D画像の集合からオブジェクトまたはシーンの3次元表現を抽出する手法です。唯一の最後の3年間で、いくつかの商用コードが（例のための材料のリストを参照）登場しています。 MVSとモデル再構築の高い精度は、2％の24と低いエラーで、長期間にわたって、インビボでの皮膚の動特性解析のために、このアプローチが適したものとなります。
組織拡張中に皮膚の対応する変形マップを得るために、任意の二つの幾何学的構成との間の点が一致しています。従来、計算生体力学の研究者は、変形マップを取得するために、有限要素メッシュと逆解析を使用していました25、26。ここで使用IGAアプローチは、薄い膜27、28の分析のためにいくつかの利点を提供スプライン基底関数を使用します。すなわち、高次多項式の利用可能性は、非常に粗いメッシュ29、30と滑らかな幾何学的形状の表現を容易にします。さらに、一致しない離散化を考慮して逆問題の必要性を回避するすべての表面パッチに同じ基礎パラメータをフィットさせることができます。
ここで説明する方法は、長期間にわたって生体内の設定に関連して、皮膚の力学を研究するための新しい道を開きます。また、我々は我々の方法論は、臨床現場でパーソナライズされた治療計画のための計算ツールを開発するという究極の目標に向けた有効なステップであることを期待しています。</ P>
Protocol
Representative Results
Discussion
ここでは、マルチビューステレオ（MVS）とisogeometric運動（IGAキネマティクス）を用いて、ブタモデルにおける組織拡張手順の間に誘起される変形を特徴づけるためのプロトコルを提示します。組織拡張の間、皮膚はドーム状の立体形状に滑らかで比較的平坦な表面から行く大きな変形を受けます。皮膚は、他の生体膜34のように、その後、再建の目的35…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by NIH grant 1R21EB021590-01A1 to Arun Gosain and Ellen Kuhl.
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/ |
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