다중보기 스테레오 및 Isogeometric 운동학을 사용하여 피부 확장의 돼지 모델에서 변형의 정량화

Summary

이 프로토콜은 수술 설정으로는 저렴하고 조정하고, 사진의 보정되지 않은 시퀀스 중 3 차원 (3D) 모델을 생성하는 멀티 뷰 스테레오를 사용합니다. 3 차원 모델 사이의 변형 맵은 동일한 파라미터를 공유 거친 메쉬 위에 매끄러운 표면의 표현을 용이하게 스플라인 기반 isogeometric 운동학으로 정량화된다.

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

조직 확장 큰 피부 결함 ^(1)의 보정에 대한 생체 내 피부 성장 성형 및 재건 수술에서 일반적인 기술이다. 노이만은 1957 년,이 절차를 문서화하는 최초의 외과 의사였다. 그는 환자의 피부 아래에 풍선을 이식하고 새로운 조직을 성장하고 귀 ^2를 재 포장하는 몇 주에 걸쳐 점차적으로 팽창. 피부, 대부분의 생체 조직과 같은 기계적인 항상성에 도달하기 위해 적용 힘과 변형에 적응. 생리적 정권을 넘어 뻗어 때, 피부는 ^{3, 4를} 성장한다. 조직 확장의 중앙 장점은 주변 조직 ^(5)와 같은 적절한 혈관과 같은 머리 베어링, 기계적 특성, 색상, 질감 피부의 생산이다.

육 년 전 도입, 피부 expansio 후N 널리 플라스틱 외과 의해 채택되었으며 현재 유방 ^6,7 후의 화상, 많은 선천성 결함 유방 재건을 보정하기 위해 사용된다. 그러나, 그것의 광범위한 사용에도 불구하고, 피부 확장 절차는 합병증 ^8로 이어질 수 있습니다. 이 절차의 기본 제어 공학을 이해하고 수술 전 계획 ^{9, 10시} 외과 의사를 안내하는 데 필요한 충분한 정량적 증거의 부족에 부분적으로 기인한다. 이 기술의 주요 파라미터는 체적 팽창에 따라 충전 충전율, 팽창기의 형상 및 크기의 선택, 장치 ^{(11), (12)의} 위치이다. 현재 수술 전 계획은 종종 greatl을 다른 임의의 프로토콜의 다양한 결과, 대부분 의사의 경험에 의존Y ^{13, 14, 15.}

현재의 지식 격차를 해소하기 위해, 우리는 조직 확장의 돼지 동물 모델의 확장에 의한 변형을 정량화하기위한 실험 프로토콜을 제시한다. 이 프로토콜은 알 수없는 카메라 위치와 2 차원 영상 시퀀스에서 3 차원 (3D) 형상을 재구성하는 멀티 뷰 스테레오 (MVS)의 사용에 의존한다. 스플라인 채용 매끄러운 표면의 표현은 isogeometric (IGA)의 설명에 의해 대응하는 변형 맵의 계산을 이끈다. 도형의 분석은 명시 적 파라미터 ^(16)을 갖는 멤브레인의 연속체 역학 이론 체계에 기초한다.

오랜 기간 동안 자료를 생활의 생리 학적으로 관련 변형을 특성화하는 것은 여전히 ​​어려운 문제로 남아있다. 일반적인 전략생물학적 조직의 입체 영상은 디지털 화상 상관 반사 마커 상업적 모션 캡쳐 시스템 및 복 투시 영상 ^{(17), (18, 19)을} 포함한다. 그러나 이러한 기술은 제한적인 실험 설정이 필요 일반적으로 고가이며, 주로 생체 나 생체 설정에서 급성 사용되어왔다. 피부는 얇은 구조 있다는 장점을 갖는다. 그것은 여러 레이어로 구성되어 있지만, 진피는 기계적 조직의 특성과에 크게 책임이있다, 따라서 표면의 변형이 가장 중요 ^(20)이다; 합리적인 가정 학적 평면 변형 ^{(21, 22)의} 출력과 관련 될 수있다. 또한, 피부는 이미 수의 형상을 포착하기 위해 기존의 이미징 도구를 사용하고, 외부 환경에 노출되어있다. H오히려 우리는 조직 확장 프로토콜 majorly을 방해하지 않고 몇 주 동안 피부의 생체 변형을 모니터링 할 수있는 저렴하고 유연한 접근 방식과 같은 MVS의 사용을 제안한다. MVS는 ^{23 각도} 알 수없는 카메라로 2D 이미지의 컬렉션에서 개체 또는 장면의 3D 표현을 추출하는 기술이다. 만 지난 3 년 동안, 여러 상업 코드 (예 재료의 목록 참조) 나타났다. ⁽²⁴⁾ 2 %로 낮은 에러와 함께 MVS 모델 재건 정밀도는 장기간에 걸쳐 체내에서 피부 학적 특성에 적절한 접근한다.

조직 팽창 동안 피부의 대응 변형 맵을 얻기 위해 두 기하학적 구성 간의 점 매칭된다. 통상적으로, 계산 역학 연구자들은 변형지도를 검색하는 유한 요소 메쉬 및 역 분석을 사용한^{25, 26.} 여기에 사용 된 IGA 방식은 얇은 막 ^{(27), (28)의} 분석에 여러 가지 이점을 제공 스플라인 기저 함수를 사용한다. 즉, 고차 다항식의 가용성에도 매우 거친 메시 ^{(29), (30)과의} 원활한 형상의 표현을 용이하게한다. 또한, 비 매칭 이산화를 고려하여, 역 문제에 대한 필요성을 회피하는 모든 표면 패치 동일한 기본 파라미터에 적합 할 수있다.

여기에 설명 된 방법은 오랜 기간 동안 생체 설정에서 관련 피부 역학을 연구하기 위해 새로운 길을 엽니 다. 또한, 우리는 우리의 방법론은 임상 환경에서 개인화 된 치료 계획에 대한 계산 도구를 개발의 궁극적 인 목표를 향해 활성화 단계는 희망이다. </ p>

Protocol

이 프로토콜은 동물 실험을 포함한다. 이 프로토콜은 동물의 인도적인 대우를 보장 앤 시카고 연구 센터 동물 관리 및 사용위원회의 로버트 H. 루리 어린이 병원의 IRB 승인을 받았다. 이 프로토콜을 사용하여 두 개의 확장 연구 결과, 31 곳 (16)을 발표했다. 이 프로토콜의 실행은 상호 보완적인 전문성을 갖춘 팀이 필요합니다. 프로?…

Representative Results

사각형, 구와 초승달 확장기 (31), (32) :이 방법은 성공적으로 다른 확장 형상에 의해 유도 변형을 연구하기 위해 사용되어왔다. 구와 초승달 확장기에 해당하는 결과는 다음에 설명되어 있습니다. 그림 2는 MVS 모델 재건의 세 단계를 보여줍니다. 출발점은 정적 현장에서 사진의 모음입니다. 사진을 다른 각도에서 촬?…

Discussion

여기에서 우리는 멀티 뷰 스테레오 (MVS) 및 isogeometric 운동학 (IGA 운동학)를 사용하여 돼지 모델에서 조직 확장 과정에서 유발되는 변형을 특성화하기 위해 프로토콜을 제시했다. 조직 확장하는 동안, 피부는 돔 모양의 3D 모양에 부드럽고 비교적 평평한 표면에서가는 큰 변형을 겪는다. 피부는 다른 생물학적 막 ^(34)과 마찬가지로 다음 ³⁵ 재건 목적에 사용할…

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/