JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioingegneria

Multi-View Stereo ve Isogeometric Kinematics kullanma Cilt Genişleme bir Domuz Modeli Genleme Niceleme

Published: April 16, 2017
doi:
10.3791/55052
, , , , , ,
1Mechanical Engineering,Purdue University, 2Division of Plastic Surgery, Ann and Robert H. Lurie Children’s Hospital of Chicago,Northwestern University Feinberg School of Medicine, 3Mechanical Engineering, Bioengineering, Cardiothoracic Surgery,Stanford University

Summary

Bu protokol cerrahi bir ayara uygun fiyatlı ve ayarlanabilir hale fotoğrafların kalibre edilmemiş dizilerinin arasından üç boyutlu (3D) modeller üretmek için çoklu görüntülü stereo kullanır. 3 boyutlu modeller arasındaki gerilme haritaları aynı parametrelendirmesini paylaşan kaba kafesleri boyunca düz yüzeylerin temsil kolaylaştırmak oluk tabanlı isogeometric kinematik ile ölçülür.

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

Doku genişletme büyük deri kusurlar 1 düzeltilmesi için in vivo olarak deri büyür plastik ve rekonstrüktif cerrahi olarak yaygın bir tekniktir. Neumann, 1957 yılında, bu prosedürü belgelemek için ilk cerrah oldu. O bir hastanın cildi altına bir balon implante ve yeni doku büyümesini ve kulak 2 yeniden dikkat çekmek için birkaç haftalık bir süre içinde yavaş yavaş şişirilmiş. Cilt, çoğu biyolojik dokuların gibi, mekanik homeostazı ulaşmak için uygulanan kuvvetler ve deformasyonlar uyarlar. Fizyolojik rejiminin ötesine gerilmiş olduğunda, cilt 3, 4 büyür. Doku genleşme, merkezi avantajlarından biri çevreleyen doku 5 gibi uygun vaskülarizasyon ve aynı saç yatak, mekanik özellikler, renk ve doku ile deri üretimidir.

Altı yıl önce hizmete sunulduğu, deri expansio sonran, yaygın olarak plastik ve rekonstrüktif cerrah tarafından kabul edilmiş ve halen mastektomi 6, 7 sonra yanıklar, geniş, doğuştan kusurlar, ve meme rekonstrüksiyonu için düzeltmek için kullanılır. Oysa yaygın kullanımına rağmen, cilt genişletme işlemleri komplikasyonlara 8 yol açabilir. Bu prosedürün temel mechanobiology anlamak ve cerrahi planlama 9, 10 boyunca cerraha için gereken yeterli bir miktar kanıt olmadığı için kısmen. Bu teknikle Anahtar parametreler enflasyonu başına hacim doldurma doldurma oranı, genişletici şekli ve boyutu seçimi ve cihazın 11, 12 yerleştirilmesi vardır. Güncel ameliyat öncesi planlama genellikle greatl farklılık keyfi protokoller çeşitli sonuçlanan büyük ölçüde hekimin deneyimine dayanıyory 13, 14, 15.

mevcut bilgi boşluklarını doldurmak için, doku genleşme domuz hayvan modelinde, genleşme ile indüklenen deformasyonunun hesaplanması için deneysel protokol mevcut. protokol bilinmeyen kamera pozisyonları ile iki boyutlu (2D) görüntüleri dizilerin arasından üç boyutlu (3D) geometri yeniden çoklu görünüm stereo (MVS) kullanımına dayanır. kamaların istihdam, düz yüzeylerin temsili bir isogeometric (IgA) açıklama vasıtasıyla karşılık gelen deformasyon haritaları hesaplamasına neden olur. Geometri analizi açık bir parametrelendirmesini 16 sahip olan zarların sürekli mekanik teorik çerçeve dayanmaktadır.

Uzun süre boyunca malzemeler yaşayan fizyolojik ilgili deformasyonlarını nitelendiren hala ciddi problem olmaya devam etmektedir. Yaygın stratejileriBiyolojik dokuların görüntüleme stereoskopik dijital görüntü korelasyonu, yansıtıcı işaretleri ile ticari hareket yakalama sistemleri ve çift kanatlı videoyu floroskopi 17, 18, 19 içerir. Bununla birlikte bu teknikler, kısıtlayıcı bir deney düzeneği gerektirir genellikle pahalıdır ve temel olarak, ex vivo veya in vivo ortamlarda akut için kullanılmıştır. Cilt ince yapı olma avantajına sahiptir. Birkaç tabakadan oluşur da, dermiş mekanik doku özellikleri ve büyük ölçüde sorumlu olan ve böylece yüzey deformasyonu birincil öneme 20 olduğu; Makul kinematik varsayımlar düzlem deformasyon 21, 22 dışı ilgili yapılabilir. Dahası, cilt zaten mümkün geometrisini yakalamak için geleneksel görüntüleme araçlarını kullanmak hale dışındaki ortama maruz kalmaktadır. 'Here bir doku genişletme protokolü ile büyük ölçüde müdahale etmeden birkaç hafta boyunca deri in vivo deformasyonlarını izlemek için uygun ve esnek bir yaklaşım olarak MVS kullanımını önermektedir. MVS 23 açıları bilinmeyen kamera ile 2D görüntülerin bir koleksiyondan nesne veya sahneleri 3D gösterimlerini ayıklayan bir tekniktir. Sadece son üç yıl içinde, birçok ticari kodları (örnekler için malzeme listesine bakın) ortaya çıkmıştır. % 2 24 kadar düşük hataları ile MV'lerle modeli yeniden inşa, yüksek hassasiyet, uzun süreler boyunca in vivo olarak deri kinematik karakterizasyonu için uygun olan, bu yaklaşım sağlar.

Doku genişletilmesi sırasında cilde karşılık gelen deformasyon haritalar için, herhangi bir iki geometrik konfigürasyonlar arasındaki noktaları eşleştirilir. Geleneksel olarak, hesaplama biyomekaniğinde araştırmacılar deformasyon haritayı almak için sonlu eleman kafesleri ve ters analiz kullanmış25, 26. Burada kullanılan IgA yaklaşımı ince zarlar 27 28 analiz için çeşitli avantajlar sunan freze temel işlevlerini kullanır. Yani, yüksek derecede polinomların kullanılabilirliği hatta çok kaba mesh 29 30 ile pürüzsüz geometrilerin temsillerini kolaylaştırır. Ayrıca, eşleşmeyen bölümlemeleri hesaba ters bir sorun yapma gereksinimini ortadan tüm yüzey yamalar, aynı temel parameterizasyonunu sığdırmak mümkündür.

Burada anlatılan yöntem uzun süreler boyunca in vivo ortamlarda ilgili cilt mekaniği incelemek için yeni yollar açar. Ayrıca, bizim metodoloji klinik ortamda kişiselleştirilmiş tedavi planlaması için hesaplama araçlarını geliştirme hedefi doğrultusunda bir etkinleştirme adım olduğunu umutlu. </ P>

Protocol

Bu protokol, hayvan deneyleri kapsamaktadır. protokol hayvanların insanca muameleyi garanti etmek Ann ve Chicago Araştırma Merkezi Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi Robert H. Lurie Çocuk Hastanesi IRB tarafından onaylanmıştır. Bu protokolü kullanarak iki genişletme çalışmaları için sonuçlar, 31 başka yerde 16 yayınlanmıştır. Bu protokolün Yürütme tamamlayıcı uzmanlığa sahip bir ekip gerektirir. Prot…

Representative Results

Dikdörtgen, küre, yarım ay genişleticiler 31, 32: Bu yöntem başarılı bir şekilde farklı genleştirici geometrileri neden olduğu deformasyon incelemek için kullanılmıştır. küre ve hilal genişleticiler tekabül eden sonuçlar aşağıdaki tartışılmıştır. Şekil 2, MVS modeli yeniden üç aşamayı tasvir etmektedir. Başlangıç ​​noktası statik sahneden fotoğrafların topluluğudur. f…

Discussion

Burada çoklu görüntülü stereo (MVS) ve isogeometric kinematik (IgA kinematik) kullanılarak bir domuz modelinde doku genişletme işlemi sırasında neden olduğu deformasyonlar karakterize etmek için bir protokol sunulmaktadır. Doku genişletilmesi sırasında cilt kubbe 3 boyutlu şekli düzgün ve nispeten düz yüzey giden büyük deformasyonların maruz kalır. Cilt, diğer biyolojik membranların 34 gibi, o rekonstrüktif amaçlı 35 için kullanılabile…

Divulgazioni

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/
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Gosain, A. K., Zochowski, C. G., Cortes, W. Refinements of tissue expansion for pediatric forehead reconstruction: a 13-year experience. Plast Reconstr Surg. 124, 1559-1570 (2009).
  2. Neumann, C. G. The expansion of an area of skin by progressive distention of a subcutaneous balloon: Use of the Method for Securing Skin for Subtotal Reconstruction of the Ear. Plast Reconstr Surg. 19, 124-130 (1957).
  3. De Filippo, R. E., Atala, A. Stretch and growth: the molecular and physiologic influences of tissue expansion. Plast Reconstr Surg. 109, 2450-2462 (2002).
  4. Buganza Tepole, A., Joseph Ploch, C., Wong, J., Gosain, A. K., Kuhl, E. Growing skin: A computational model for skin expansion in reconstructive surgery. J Mech Phys Solids. 59, 2177-2190 (2011).
  5. LoGiudice, J., Gosain, A. K. Pediatric Tissue Expansion: Indications and Complications. J Craniofac Surg. 14, 866-866 (2003).
  6. Rivera, R., LoGiudice, J., Gosain, A. K. Tissue expansion in pediatric patients. Clin Plast Surg. 32, 35-44 (2005).
  7. Marcus, J., Horan, D. B., Robinson, J. K. Tissue expansion: Past, present, and future. J Am Acad Dermatol. 23, 813-825 (1990).
  8. Patel, P. A., Elhadi, H. M., Kitzmiller, W. J., Billmire, D. A., Yakuboff, K. P. Tissue expander complications in the pediatric burn patient: a 10-year follow-up. Ann Plast Surg. 72, 150-154 (2014).
  9. Pietramaggiori, G., et al. Tensile Forces Stimulate Vascular Remodeling and Epidermal Cell Proliferation in Living Skin. Ann Surg. 246, 896-902 (2007).
  10. Khalatbari, B., Bakhshaeekia, A. Ten-year experience in face and neck unit reconstruction using tissue expanders. Burns. 39, 522-527 (2013).
  11. Brobmann, F. F., Huber, J. Effects of different-shaped tissue expanders on transluminal pressure, oxygen tension, histopathologic changes, and skin expansion in pigs. Plast Reconstr Surg. 76, 731-736 (1985).
  12. van Rappard, J. H., Molenaar, J., van Doorn, K., Sonneveld, G. J., Borghouts, J. M. Surface-area increase in tissue expansion. Plast Reconstr Surg. 82, 833-839 (1988).
  13. Pusic, A. L., Cordeiro, P. G. An accelerated approach to tissue expansion for breast reconstruction: experience with intraoperative and rapid postoperative expansion in 370 reconstructions. Plast Reconstr Surg. 111, 1871-1875 (2003).
  14. Schneider, M. S., Wyatt, D. B., Konvolinka, C. W., Hassanein, K. M., Hiebert, J. M. Comparison of Rapid Versus Slow Tissue Expansion on Skin-Flap Viability. Plast Reconstr Surg. 92, 1126-1132 (1993).
  15. Schmidt, S. C., Logan, S. E., Hayden, J. M., Ahn, S. T., Mustoe, T. A. Continuous versus conventional tissue expansion: experimental verification of a new technique. Plast Reconstr Surg. 87, 10-15 (1991).
  16. Buganza Tepole, A., Gart, M., Purnell, C. A., Gosain, A. K., Kuhl, E. Multi-view stereo analysis reveals anisotropy of prestrain, deformation, and growth in living skin. Biomech Model Mechanobiol. 14, 1007-1019 (2015).
  17. Tonge, T. K., Atlan, L. S., Voo, L. M., Nguyen, T. D. Full-field bulge test for planar anisotropic tissues: Part I-Experimental methods applied to human skin tissue. Acta Biomater. 9, 5913-5925 (2013).
  18. Park, S. I., Hodgins, J. K. Capturing and animating skin deformation in human motion. ACM Trans Graph. 25, 881-881 (2006).
  19. Rausch, M. K., et al. In vivo dynamic strains of the ovine anterior mitral valve leaflet. J Biomech. 44, 1149-1157 (2011).
  20. Leyva-Mendivil, M. F., Page, A., Bressloff, N. W., Limbert, G. A mechanistic insight into the mechanical role of the stratum corneum during stretching and compression of the skin. J Mech Behav Biomed Mater. 49, 197-219 (2015).
  21. Buganza Tepole, A., Kabaria, H., Bletzinger, K. -. U., Kuhl, E. Isogeometric Kirchhoff-Love shell formulations for biological membranes. Comput Methods Appl Mech Eng. 293, 328-347 (2015).
  22. Prot, V., Skallerud, B., Holzapfel, G. A. Transversely isotropic membrane shells with application to mitral valve mechanics. Constitutive modelling and finite element implementation. Int J Num Meth Eng. 71, 987-1008 (2007).
  23. Seitz, S. M., Curless, B., Diebel, J., Scharstein, D., Szeliski, R. A comparison and evaluation of multi-view stereo reconstruction algorithms. Proc IEEE CVPR. 1, 519-528 (2006).
  24. Furukawa, Y., Ponce, J. Dense 3D motion capture for human faces. 2009 IEEE CVPR. , (2009).
  25. Jor, J. W. Y., Nash, M. P., Nielsen, P. M. F., Hunter, P. J. Estimating material parameters of a structurally based constitutive relation for skin mechanics. Biomech Model Mechanobiol. 10, 767-778 (2010).
  26. Weickenmeier, J., Jabareen, M., Mazza, E. Suction based mechanical characterization of superficial facial soft tissues. J Biomech. 48, 4279-4286 (2015).
  27. Hughes, T. J. R., Cottrell, J. A., Bazilevs, Y. Isogeometric analysis: CAD, finite elements, NURBS, exact geometry and mesh refinement. Comput Methods Appl Mech Eng. 194, 4135-4195 (2005).
  28. Echter, R., Oesterle, B., Bischoff, M. A hierarchic family of isogeometric shell finite elements. Comput Methods Appl Mech Eng. 254, 170-180 (2013).
  29. Benson, D. J., Hartmann, S., Bazilevs, Y., Hsu, M. C., Hughes, T. J. R. Blended isogeometric shells. Comput Methods Appl Mech Eng. 255, 133-146 (2013).
  30. Chen, L., et al. Explicit finite deformation analysis of isogeometric membranes. Comput Methods Appl Mech Eng. 277, 104-130 (2014).
  31. Buganza Tepole, A., Gart, M., Purnell, C. A., Gosain, A. K., Kuhl, E. The Incompatibility of Living Systems: Characterizing Growth-Induced Incompatibilities in Expanded Skin. Ann Biomed Eng. 44, 1734-1752 (2016).
  32. Buganza Tepole, A., Gart, M., Gosain, A. K., Kuhl, E. Characterization of living skin using multi-view stereo and isogeometric analysis. Acta Biomater. 10, 4822-4831 (2014).
  33. Rose, E. H., Ksander, G. A., Vistnes, L. M. Skin tension lines in the domestic pig. Plast Reconstr Surg. 57, 729-732 (1976).
  34. Rausch, M. K., Kuhl, E. On the mechanics of growing thin biological membranes. J Mech Phys Solids. 63, 128-140 (2014).
  35. Argenta, L. C. Controlled tissue expansion in reconstructive surgery. Br J Plast Surg. 37, 520-529 (1984).
  36. Hudson, D. Maximising the use of tissue expanded flaps. Br J Plast Surg. 56, 784-790 (2003).
  37. Bartell, T. H., Mustoe, T. A. Animal models of human tissue expansion. Plast Reconstr Surg. 83, 681-686 (1989).
  38. Belkoff, S. M., et al. Effects of subcutaneous expansion on the mechanical properties of porcine skin. J Surg Res. 58, 117-123 (1995).
  39. Ni Annaidh, A., Bruyère, K., Destrade, M., Gilchrist, M. D., Otténio, Automated estimation of collagen fibre dispersion in the dermis and its contribution to the anisotropic behaviour of skin. Ann Biomed Eng. 5, 139-148 (2012).
  40. Kiendl, J., Bletzinger, K. U., Linhard, J., Wüchner, R. Isogeometric shell analysis with Kirchhoff-Love elements. Comput Methods Appl Mech Eng. 198, 3902-3914 (2009).

Tags

Skin ExpansionPorcine ModelMulti-view StereoIsogeometric KinematicsReconstructive SurgeryComputational Analysis3D ImagingGrid TracingTattooStrain Mapping
check_url/it/55052?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Buganza Tepole, A., Vaca, E. E., Purnell, C. A., Gart, M., McGrath, J., Kuhl, E., Gosain, A. K. Quantification of Strain in a Porcine Model of Skin Expansion Using Multi-View Stereo and Isogeometric Kinematics. J. Vis. Exp. (122), e55052, doi:10.3791/55052 (2017).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image