Количественный штамм в свиных моделях расширения кожи с помощью Multi-View Stereo и Isogeometric кинематики

Summary

Этот протокол использует мульти-вид стерео для создания трехмерных моделей (3D) из некалиброванных последовательностей фотографий, что делает его доступным и регулируются в хирургические вмешательства. карты Штамм между 3D-моделей количественно с сплайн основе isogeometric кинематики, которые облегчают представление гладких поверхностей над грубых сетках, разделяющих ту же параметризацию.

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

Расширение ткани является распространенным методом в пластической и реконструктивной хирургии , который растет в естественных условиях кожи для коррекции больших кожных дефектов ^1. Нейман, в 1957 году, был первым хирургом документировать эту процедуру. Он имплантировал баллон под кожей пациента , и накачивал его постепенно в течение нескольких недель , чтобы вырастить новые ткани и возродиться ухом ^2. Кожа, как и большинство биологических тканей, приспосабливается к приложенным силам и деформациям, чтобы достигнуть механического гомеостаза. При растяжении за физиологическим режим, кожа становится ^{3, 4.} Одна из центральных преимуществ расширения ткани является производство кожи с правильной васкуляризации и тот же волос подшипника, механические свойства, цвет и текстуру , как окружающие ткани ^5.

После его введения шесть десятилетий назад, кожа expansioп широко принят пластической и реконструктивной хирургии и в настоящее время используется для устранения ожогов, больших врожденных дефектов, а также для реконструкции груди после мастэктомии ^{6, 7.} Тем не менее, несмотря на его широкое применение, процедуры расширения кожи может привести к осложнениям ^8. Это отчасти из – за отсутствия достаточных количественных данных , необходимых для понимания фундаментальной mechanobiology процедуры и руководства хирург во время предоперационного планирования ^{9, 10.} Основные параметры этого метода являются скорость наполнения, заполняя объем на инфляцию, выбор формы и размера расширителя, и размещение устройства ^{11, 12.} Текущее предоперационное планирование опирается в основном на опыте врача, в результате широкого спектра произвольных протоколов, которые часто отличаются greatlу ^{13, 14, 15.}

Для устранения существующих пробелов в знаниях, представляет экспериментальный протокол для количественной оценки деформации расширения индуцированных в животной модели свиньи расширения ткани. Протокол основан на использовании нескольких проекций стерео (МВС) для реконструкции трехмерного (3D) геометрии из последовательностей двумерный (2D) изображений с неизвестными положениями камеры. Применение сплайнов, представление гладких поверхностей приводит к вычислению соответствующих карт деформации с помощью isogeometric (IgA) описание. Анализ геометрии основан на теоретической основе механики сплошных сред мембран , имеющих явную параметризацию ^16.

Характеризуя физиологически соответствующие деформации живых материалов в течение длительного периода времени, по-прежнему остается сложной задачей. Общие стратегиивизуализации биологических тканей включают в себя стереоскопическое корреляции цифровых изображений, коммерческие системы захвата движения с отражательными маркерами, и биплан видео рентгеноскопии ^{17, 18, 19.} Однако эти методы требуют ограничительной экспериментальной установки, как правило , дорого, и были в основном используются для бывших естественных или острого в естественных условиях настройки. Кожа имеет то преимущество, что тонкая структура. Несмотря на то, что состоит из нескольких слоев, дермы в значительной степени ответственны за механические свойства ткани и , таким образом , деформация поверхности имеет первостепенное значение ^20; разумные кинематические предположения могут быть сделаны относительно отказа от плоской деформации ^{21, 22.} Кроме того, кожа уже подвергается воздействию внешней среды, что позволяет использовать обычные инструменты визуализации, чтобы захватить его геометрию. ЧАСпрежде чем мы предлагаем использовать МВС в качестве доступного и гибкого подхода к мониторингу виво деформации в кожи в течение нескольких недель , не мешая главно с протоколом расширения ткани. МВС представляет собой метод , который извлекает 3D представление объектов или сцен из коллекции 2D – изображений с неизвестными ракурсами ^23. Только за последние три года, несколько коммерческих кодов появились (список материалов для примеров). Высокая точность модели реконструкции с MVS, с ошибками , как низко как 2% ^24, делает этот подход , подходящий для кинематической характеристики кожи в естественных условиях в течение длительных периодов времени.

Для того, чтобы получить соответствующие деформационные карты кожи во время расширения ткани, точки между любыми двумя геометрическими конфигурациями совпадают. Традиционно, исследователи в области вычислительной биомеханики использовали конечные сетки элементов и обратный анализ, чтобы получить карту деформации^{25, 26.} IGA подход используется здесь используется сплайн базисных функций , которые предлагают ряд преимуществ для анализа тонких мембран ^{27, 28.} А именно, наличие высоких многочленов степени облегчает представления гладких геометрий даже при очень грубых сетках ^{29, 30.} Кроме того, можно приспосабливать те же базовую настройку параметров для всех участков поверхности, которые обходят необходимость обратной задачи для учета несовпадающих дискретизаций.

Описанный здесь метод открывает новые возможности для изучения механики кожи в соответствующих настройках в естественных условиях в течение длительных периодов времени. Кроме того, мы надеемся, что наша методика является благоприятным шагом на пути к конечной цели развития вычислительных средств для персонализированного планирования лечения в клинических условиях. </ Р>

Protocol

Этот протокол включает в себя эксперименты на животных. Протокол был одобрен IRB Энн и Роберта Х. Лурье детской больницы Исследовательского центра Чикаго ухода и использование животных комитета гарантировать гуманное обращение с животными. Результаты двух исследований расширения с ис…

Representative Results

Эта методика была успешно использована для изучения деформации , вызванной различным расширитель геометрии: прямоугольник, сферой и серповидных расширителями 31, 32. Результаты, соответствующие сферы и полумесяц расширителей обсуждают?…

Discussion

Здесь мы представили протокол для характеристики деформации, индуцированной в ходе процедуры расширения тканей в модели свиньи с использованием нескольких проекций стерео (MVS) и isogeometric кинематики (IgA кинематики). Во время расширения ткани, кожа претерпевает большие деформации, идущ…

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/