Kvantifiering av spänningar i en grismodell av Skin Expansion Använda Multi-View Stereo och Isogeometric kinematik

Summary

Detta protokoll använder multi-view stereo för att generera tredimensionella (3D) modeller av okalibrerade sekvenser av fotografier, vilket gör det överkomligt och justerbar till en kirurgisk miljö. Stam kartor mellan de 3D-modeller kvantifieras med spline-baserad isogeometric kinematik, som underlättar framställning av släta ytor över grova maskor som delar samma 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 expansion är en vanlig teknik i plast och rekonstruktiv kirurgi som växer huden in vivo för att korrigera stora kutan defekter ^1. Neumann, 1957, var den första kirurgen att dokumentera den här proceduren. Han implanterade en ballong under huden på en patient och blåses upp gradvis under en period av flera veckor att växa ny vävnad och dyka upp igen ett öra ^2. Hud, liksom de flesta biologiska vävnader, anpassar sig till tillämpade krafter och deformationer för att nå mekanisk homeostas. När den sträcks bortom den fysiologiska regimen växer huden ^{3, 4.} En av de centrala fördelarna med vävnadsexpansion är produktionen av huden med ordentlig vaskularisering och samma hår lagret, mekaniska egenskaper, färg och konsistens som den omgivande vävnaden ^5.

Efter introduktionen sex decennier sedan, hud expansion har fått stor spridning av plast och rekonstruktiv kirurger och används för närvarande för att korrigera brännskador, stora medfödda defekter och för bröstrekonstruktion efter mastektomi ^{6, 7.} Men trots dess utbredda användning kan expansionsförfaranden huden leda till komplikationer ^8. Detta delvis beror på avsaknaden av tillräckliga kvantitativa bevis som behövs för att förstå den grundläggande mechanobiology av förfarandet och för att vägleda kirurgen under preoperativ planering ^{9, 10.} Nyckelparametrar i denna teknik är fyllningshastigheten, fyllning volym per inflation, val av formen och storleken för expandern, och placeringen av anordningen ^{11, 12.} Nuvarande preoperativ planering bygger till stor del på läkarens erfarenhet, vilket resulterar i ett stort antal godtyckliga protokoll som ofta skiljer sig greatly ^{13, 14, 15.}

Att ta itu med de nuvarande kunskapsluckorna, presenterar vi ett experimentellt protokoll för att kvantifiera expansionen inducerad deformation i en porcin djurmodell av vävnadsexpansion. Protokollet bygger på användning av multi-view stereo (MVS) för att rekonstruera tredimensionella (3D) geometrier av sekvenser av tvådimensionella (2D) bilder med okända kamerapositioner. Användning av splines, representation av släta ytor leder till beräkningen av de motsvarande deformation kartor med hjälp av en isogeometric (IGA) beskrivning. Analysen av geometrin är baserad på den teoretiska ram kontinuummekanik av membran med en explicit parametrering ^16.

Karakterisera fysiologiskt relevanta deformationer av levande material över långa tidsperioder fortfarande ett utmanande problem. Gemensamma strategier föravbildning av biologiska vävnader inkluderar stereoskopisk digital bild korrelation, kommersiella motion capture system med reflekterande markörer, och biplan video fluoroskopi ^{17, 18, 19.} Dessa tekniker kräver emellertid en restriktiv experimentuppställning, är i allmänhet dyra, och har i första hand används för ex vivo eller akut in vivo inställningar. Hud har fördelen av att vara en tunn struktur. Även om det består av flera lager, är dermis hög grad ansvariga för de mekaniska egenskaperna hos vävnaden och därmed ytan deformation är av primär betydelse ^20; rimliga kinematiska antaganden kan göras om ut ur planet deformation ^{21, 22.} Dessutom är huden redan utsatt för den yttre miljön, vilket gör det möjligt att använda konventionella avbildningsverktyg för att fånga dess geometri. Here föreslår vi användning av MVS som en prisvärd och flexibelt tillvägagångssätt för att övervaka in vivo deformationer av huden under flera veckor utan att interferera majorly med en vävnadsexpansion protokoll. MVS är en teknik som utvinner 3D representationer av objekt eller scener från en samling av 2D-bilder med okänd kameravinklar ^23. Först under de senaste tre åren har flera kommersiella koder uppträdde (se lista över material för exempel). Den höga noggrannheten hos modellen rekonstruktion med MVS, med fel som är så låga som 2% ^24, gör detta tillvägagångssätt lämpligt för den kinematiska karakterisering av hud in vivo under långa tidsperioder.

För att erhålla motsvarande deformation kartor över huden under expansion vävnad, är punkter mellan två godtyckliga geometriska konfigurationer matchas. Konventionellt har forskare inom beräknings biomekanik används finita element maskor och omvänd analys för att hämta deformationen kartan^{25, 26.} IGA metod som används här använder spline basfunktioner som erbjuder flera fördelar för analys av tunna membran ^{27, 28.} Nämligen, tillgängligheten av höga grad polynom underlättar representationer av glatta geometrier även med mycket grova maskor ^{29, 30.} Dessutom är det möjligt att montera samma underliggande parametriseringen till alla ytområden, som kringgår behovet av en inversa problemet att ta hänsyn till icke-matchande discretizations.

Den metod som beskrivs här öppnar nya vägar för att studera huden mekanik i relevant in vivo inställningar under långa tidsperioder. Dessutom har vi är hoppfulla att vår metodik är en möjliggörande steg mot det slutliga målet att utveckla beräkningsverktyg för personlig behandlingsplanering i klinisk miljö. </ P>

Protocol

Detta protokoll involverar djurförsök. Protokollet godkändes av IRB av Ann och Robert H. Lurie barnsjukhuset i Chicago Research Center Animal Care och användning kommittén att garantera human behandling av djur. Resultaten för två expansionsstudier med användning av detta protokoll har publicerats på annat håll 16, 31. Utförandet av detta protokoll kräver ett team med kompletterande kompetens. Den första delen av protoko…

Representative Results

Denna metod har framgångsrikt använts för att studera deformationen som induceras av olika expander geometrier: rektangel, sfär och crescent expandrar 31, 32. Resultaten motsvarar sfären och halvmåneexpansions diskuteras härnäst. Figur 2 illustrerar de tre stegen av MVS modell rekonstruktion. Utgångspunkten är en samling av fotografier från en statisk scen. Djuret med tatuerade galler och måttband lå…

Discussion

Här presenterade vi ett protokoll för att karakterisera de deformationer som induceras under ett expansionsvävnadsförfarande i en grismodell med hjälp av multi-view-stereo (MVS) och isogeometric kinematik (IGA kinematik). Under expansion vävnad, undergår huden stora deformationer som går från en slät och relativt plan yta till en kupolliknande 3D-form. Hud, liksom andra biologiska membran ^34, svarar för att sträcka genom att producera nytt material, ökar i området som kan där…

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/