在皮肤扩张使用多视点立体和Isogeometric运动学的猪模型应变的定量

摘要

该协议使用多视点立体生成三维（3D）模型进行的照片未校准序列，使得它负担得起的和调节的，以在外科手术设置。的3D模型之间应变图与基于样条的isogeometric运动学，其有利于平滑表面过度粗网格共享相同的参数化表示定量。

摘要

组织扩张是整形和重建手术中的一种流行技术，可在体内生长皮肤以矫正烧伤和先天性巨大痣等大缺陷。尽管膨胀方案被广泛使用，但由于难以测量在每个充气步骤和整个过程长度上施加的变形，因此规划和执行膨胀方案具有挑战性。量化变形场至关重要，因为拉伸随时间的分布决定了治疗结束时皮肤生长的速度和数量。在这份手稿中，我们提出了一种研究组织膨胀的方法，以获得扩增过程中诱导的变形的定量知识。该实验方案在猪组织扩张模型中结合了多视图立体和等几何运动学分析。多视图立体允许从未校准的图像序列进行三维几何重建。等几何运动学分析使用样条来描述网格点较少的光滑曲面之间的区域变形。我们的协议有可能弥合关于皮肤扩张机制的基本科学探究与临床环境之间的差距。最终，我们希望通过我们的方法获得的知识能够以个性化的方式使用皮肤变形的计算模拟来制定治疗计划。

引言

组织扩张是在整形外科的常用技术，生长皮肤在体内的皮肤大缺陷¹的校正。纽曼于1957年，是记录这个过程的第一个外科医生。他植入患者的皮肤下面的气囊和充气逐渐它在数周长出新的组织及铺设耳^2。皮肤，像大多数生物组织，以适应所施加的力和变形，以达到机械平衡。当拉伸超过生理机制，皮肤长^3，4。一个的组织扩张的中央优点是生产皮肤用适当的血管化和相同的头发轴承，机械性能，颜色和质地的周围组织^5。

其推出的六十年前，皮肤expansio后n具有由塑料和重建外科医生被广泛采用，并且目前用于校正烧伤，大先天性缺陷，和乳房再造术^6,7之后。然而，尽管它的广泛使用，皮肤扩张过程可以导致并发症^8。这部分是由于缺乏必要了解程序的基本力学生物学，并在术前计划^9，10来引导外科医生足够的定量证据。在该技术中的关键参数是填充率，填充每体积膨胀，膨胀的形状和尺寸的选择，并且该装置^11，12的位置。目前术前计划主要依靠医生的经验，产生了各种各样的任意的协议，往往不同greatl^{ÿ13，14，15。}

为了解决目前的知识缺口，我们提出了一个实验方案来量化在组织扩张的猪动物模型膨胀而引起的变形。该协议依靠使用多视点立体（MVS）来重建三维（3D）几何形状不与未知摄像机位置的二维（2D）图像的序列。使用样条曲线，光滑的表面的表示由isogeometric（IGA）描述的方法导致了相应的变形地图的计算。几何形状的分析是基于在具有明确的参数¹⁶的膜的连续介质力学的理论框架。

表征生活过很长一段时间的材料有关生理变形仍然是一个具有挑战性的问题。为共同战略生物组织的成像包括立体数字图像相关，具有反射标记的商业动作捕捉系统，和双平面视频透视^{17，18，19。}然而，这些技术要求限制性的实验设置，一般是昂贵的，并已被主要用于离体或在体内设置尖锐。皮肤具有作为薄的结构的优点。即使它由若干层组成，真皮是用于组织的机械性质并在很大程度上负责因此表面变形是最重要的^20;合理的运动学假设可以对于出平面变形^21,22制成。此外，皮肤已经暴露在外部环境，使其能够使用传统的成像工具来捕捉它的几何形状。 HERE我们建议使用MVS的作为负担得起的和灵活的方法来监测皮肤在数周内体内变形而没有与组织扩张协议majorly干扰。 MVS是提取对象或场景的三维表示从二维图像的具有未知相机集合角²³的技术。仅在过去的三年里，一些商业代码已经出现（见的实例，材料清单）。模型重建MVS的精度高，但有错误低至^2％24，使得这种方法适用于体内在长时间皮肤的运动表征。

到组织膨胀期间获得皮肤的相应的变形地图，任意两个几何构型之间的点匹配。以往，研究人员在计算生物力学已经使用有限元网格和逆分析来检索变形图^25，26。此处使用的IGA方法使用，其对于薄的膜^27，28的分析提供若干优点样条基函数。即，高次多项式的可用性有助于平滑地几何形状的表示，即使具有非常粗网格^29,30。另外，也能够配合在相同的基础参数的所有表面补丁，规避该需要一种逆问题考虑到不匹配的离散化。

这里介绍的方法开辟了新的途径，在很长一段时间来研究有关皮肤力学体内设置。此外，我们希望，我们的方法是在开发针对在临床上的个性化治疗计划的计算工具的最终目标关键的一步。

方案

该协议涉及动物的实验。该方案经安和芝加哥研究中心动物护理和使用委员会的罗伯特·H·卢瑞尔儿童医院的IRB，以保证动物的人道待遇。使用该协议两个扩展研究的结果已在别处公布的^16，31。

该协议的执行需要一个团队专长互补。该协议的第一部分介绍的动物模型的手术过程，需要与适当的医疗人员培训。随后的分析，特别是第4和5所示，涉及用C基本计算机编程技巧++和Python和使用命令行外壳。

1.手术程序扩展器放置

注:参与操作人员必须经过洗涤后，再在无菌时尚穿长衫。与不孕Ë毛巾和窗帘都是围绕外科领域的应用保持无菌。所有仪器，缝合线和组织扩张器在无菌包装接受，只有通过无菌人员处理。手术部位的无菌不应受到侵犯，直到程序完成。

1. 适应一个月龄的雄性尤卡坦小型猪标准的住房为一个星期， 随意取食 。
2. 在手术当天，用麻醉诱导氯胺酮/乙酰丙嗪的动物（4 - 6毫克/公斤），然后异氟烷进行维护。通过监控眼睑反射评估麻醉深度。此外，监测生命体征（心脏率，体温，呼吸频率，和/或通过响应组织钳捏）。应用眼药膏的眼睛，以防止角膜擦伤。
3. 管理流程前抗生素和清洁基于洗必泰外科肥皂背部皮肤。传输4个10×10 cm ^2个的网格，二对的每一侧动物，使用纹身转印介质1厘米标线到猪皮。该网格对应于以下四个区域:左侧喙，喙右，左尾，右尾。使用模板与中线参考，以确保网格图案的对称位置。
   1. 通过跟踪网格创建纸面上的网格用圆珠笔严重轮廓。洗对动物其中网格要被放置异丙基外用酒精的区域。
   2. 应用网格（笔墨水面朝下）直接在皮肤上。酒精供应水蛭一些油墨的断纸，电网转移到动物的皮肤。
4. 注射局部麻醉（1％利多卡因1:100000肾上腺素）皮下在每个计划切口部位。
5. 使两个网格之间的中点对动物的两侧切口。
   注:切口被放置在动物的左侧和右侧的2个栅格上之间那一边。有存在左侧切口和右片面的切口
6. 用止血钳来开发感兴趣的网格下方的皮下隧道。开发一个隧道后，插入格栅下面的扩展。
   注:隧道放置，将有一个组织扩张器的任何电网下。
7. 放置的端口扩展器膨胀远程通过沿着动物的背中线以类似的方式开发了皮下隧道。通过缝合修复伤口。
8. 通过肌内注射 - （0.1毫克/千克丁丙诺啡0.05）每12小时为4个剂量，与可用于动物窘迫的证据附加剂量术后治疗与预防性抗生素的动物（呋5mg / kg的IM一次）以及镇痛药。
9. 连续观察动物2个小时手术后，包括生命体征，直到他们恢复行走并能维持正常体温常规测量。房子在一个单独的笼子里的动物和监控，直到我t是能够转移回其正常的住房面积和无人操作前，对所有4条腿独立行走。
10. 继后立即麻醉恢复期，每天检查的动物来评价伤口愈合。拆去缝线14天术后。这些切口无需包扎。离开切口愈合3 - 开始扩大4个星期前

2.通货膨胀协议

注意:在各膨胀机所使用的通货膨胀和的溶液量的时间取决于所研究的具体问题。为了表征不同膨胀器的几何形状的作用，合适的协议是执行5个膨胀步骤中的0,2，7，10，和15天时分别达到50％，75 105，165，和225毫升填充体积。

1. 每个膨胀步骤之前，镇静动物施用氯胺酮（4 - 6毫克/千克）和右旋美托咪在20 - 80微克/千克。
   注:右美托咪是n个阿尔法肾上腺素能受体激动剂可以与阿替美唑逆转（1:1体积:体积），以促进更快的恢复;然而，这个级别的镇静可能是不够的动物容忍扩张无伤害的不当风险的动物或处理程序。如果是这样的情况下，通过面罩通气以下氯胺酮/乙酰丙嗪诱导异氟醚交付管理全身麻醉。
2. 连接两个塑料软带的措施，使用手术胶带动物的皮肤。放置在左侧和右侧的网格之间的卷尺。
3. 放置在一侧的动物和从尽可能多的不同角度尽可能获取场景30张的照片。
   注:我们的目标是捕获两个网格可见的几何形状，当动物是放下一侧。
   1. 首先，定位摄像头上面的动物和朝方尾倾斜，拍摄一个镜头，其中纹身网格是完全可见，并填补了框架。
   2. 中号OVE在从尾到延髓方向的拱形的动物周围的圆形图案，拍照沿途，确保，对于每一个照片中，纹身网格是可见的完全在帧出现。
      1. 同时，尽量让该网格在框架所占据的空间。一个理想的拍摄将捕获的动物与纹身网格和背景的仅小区域后面。
   3. 接着，照相机位置朝向腹侧捕获镜头角度大致平行于地面并拍照在从腹侧向背侧区域的拱形。
      注:照片中的量是不是一个固定值。对于良好的重建，在纹网格中的每个点应该在至少3张照片;在总共30张照片为几何重建成功的足够量。
4. 放置在相反侧的动物，并采取两个30张照片其余电网上文所示相同的步骤。
5. 执行通过寻找远程填充口和注入的盐溶液对应于感兴趣的扩展协议所需量的膨胀步骤。用0.9％的无菌注射用盐。
   1. 找到了用异丙基酒精擦拭动物的皮肤上的端口和准备。与连接到填充有无菌注射盐水的注射器的无菌25号蝴蝶针访问端口。
      注:如上所述，端口被皮下地隧道传送到膨胀机放置期间的前正中线背部的位置。
   2. 注入的盐溶液的期望的量。请参阅笔记本节在扩张过程中的每个步骤中注入的通货膨胀卷的开头。
6. 重复照片采集步骤通货膨胀后。
7. 一旦充气协议完成后，安乐死的动物。
   1. 一般管理通过经面罩通气以下氯胺酮/乙酰丙嗪感应传递异氟烷麻醉。通过监控眼睑反射评估麻醉深度。此外，监测生命体征（心脏率，体温，呼吸频率，和/或响应用组织钳捏）。
   2. 100毫克/公斤 - 通过戊巴比妥90静脉注射过量安乐死的动物。继安乐死过量戊巴比妥，通过使用脉搏血氧仪和脉搏触诊以及没有自主呼吸的情况下检测心跳的确认死亡。

3.多视点立体重构

1. 用市售的软件上传的图片文件和重建几何模型。
   1. 启动浏览器上的MVS软件并登录。
   2. 选择照片以3D的左上角。
   3. 点击添加照片 ，浏览到IM的位置年龄和手动选择对应于单个模型30张的照片。
   4. 命名模型，然后点击创建
   5. 等待要创建的模型。这可能需要几分钟的时间。点击返回到该软件的原始目标网页右边仪表盘 。
      注:仪表显示已经由用户创建的几何模型的代表图像。
   6. 将光标放在刚刚创建的模型。将光标放在模型图像的右下角。点击下载 ，并选择OBJ。

4.样条曲面拟合

1. 使用开源软件来处理几何模型。
2. 点击文件- >导入- > OBJ导入从MVS软件生成的文件。在3D视图底部点击视窗阴影和塞莱克拉纹理 。寻找对3D视图与子菜单右侧的标签: 转换 ， 蜡笔 ， 视图 ，3D铅笔 等点击底纹 ，并选择没有阴影 。
3. 右键单击几何形状，将其选中。在3D视图底部选择编辑模式以可视化的三角形网格。
4. 选择逐个对卷尺的1厘米标记的节点。
   1. 要选择一个点，右键点击它，并强调这一点。坐标点出现在3D视图的右侧的标签上。选择与所选择的点的坐标复制到一个文本文件中。
   2. 重复此操作的卷尺的1厘米标记的所有点。
   3. 这样做两个磁带措施。协调文本文件的例子是提供D:tape1.txt，tape2.txt。
      注意:如果没有上的兴趣点的网格节点，细分网格，直到有感兴趣的点的一个节点。细分网格通过按顶点Shift键，右键单击选择三角形的三个顶点。然后点击按钮细分出现在三维视图的左侧的选项卡。此操作将所选择的三角形内部的三个更多的节点。
5. 选择网格的11×11点和121点的坐标保存到在图1所示的图案的文本文件。
   1. 类似于做了什么磁带措施，选择网格点，右击它，点会高亮显示。坐标点会出现在3D视图的右侧的标签上。选择与所选择的点的坐标复制到一个文本文件
      注:网格点的编号是ALWAYS尾鳍延髓和向腹侧部的背中线。这种排序保证了参数空间为任何两个补丁是一致的。作为一个例子，提供了一种其中含有的皮肤贴片的121点的坐标文件gridReference.txt。
6. 下载，编译和安装C ++花库。该文件包含splineLibraryInstallation.txt链接到花键库和说明安装的源代码。
7. 编译源代码generateCurve.cpp生成可执行generateCurve
   注:该方案generateCurve只需要编译一次。编译该C ++源代码，并生成一个可执行按照指示在源代码文件generateCurve.cpp的顶部。
8. 使用程序generateCurve以适应样条磁带措施，并在网格点。要在B运行可执行文件灰壳，类型
   目录$ ./generateCurve
   1. 在运行程序时，会要求用户键入路径中含有卷尺的坐标文件。然后程序会询问输出文件的名称。终止.g2添加到文件名。
      注:.g2代表去的工具 ，并关联到花键库终止。的对应于带花键的措施文件的两个例子是可用于此协议（tape1.g2，tape2.g2）。
9. 使用Python脚本scalePoints.py缩放网格点。有三个参数运行在Bash shell提示符下输入程序:网格点的文件名和花键对应的卷尺的文件名
   目录$蟒蛇scalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
   注:脚本scalePoints.py导入脚本B_spline.py和NURBS_Curv e.py，因此所有的三个脚本必须在同一个文件夹。
10. 编译源代码generateSurface.cpp生成可执行generateSurface。
    注:此步骤只需要进行一次。更详细的说明可在源代码文件generateSurface.cpp的开始。
11. 使用程序generateSurface以适应样条曲面的网格点。上运行的Bash shell可执行generateSurface
    目录$ ./generateSurface
    1. 在shell中运行该程序会要求包含规模点的文件名。然后，它会询问输出文件的名称。终止.g2添加到输出文件名。
       注:终止.g2通过花键库建议，主张走的工具 。该文件gridReference.g2和gridDeformed.g2作为例子提供。

书名"> 5。扩充引起的变形的定量

1. 在Bash shell提示下启动的Python
   目录$蟒蛇
   注:初始化的Python 解释器，这是类似的，将显示一个新的命令行环境的外壳接口>>>
2. 导入脚本expansionIGA.py其中包含一个名为evaluateMembraneIGA功能
   >>>从expansionIGA进口evaluateMembraneIGA
3. 调用函数evaluateMembraneIGA计算变形图。
   注:此功能需要作为参数:
   基准表面的文件名
   变形面的文件名
   评价的分辨率（多少分在每个方向进行评估）
   面积拉伸的最小值用于缩放等高线图
   面积拉伸的最大值用于缩放等高线图
   在纵向方向上拉伸的最小值我们ED缩放的轮廓
   在纵向方向上拉伸的最大值用于缩放的轮廓
   在横向方向上拉伸的最小值用于缩放的轮廓
   在横向方向上拉伸的最大值用于缩放的轮廓
   在等值线图网格线之间的间距
   输出文件名
   1. 例如，运行
      >>> evaluateMembraneIGA（ 'gridReference.g2'， 'gridDeformed.g2'，250，3，0.5％，2％，0.5％2，0.5％，25， '变形'）
      注:此命令将生成并保存六个输出文件。注意，在上面的例子中的最后一个参数是输出文件名变形 ，因此，将要生成的文件是:
      deformation_theta.png:区域伸展的轮廓图
      deformation_theta.txt:相应于面积拉伸的等高线图的值表
      deformation_G1.png:拉伸ALON的等高线图克动物的纵向轴线
      deformation_G1.txt:对应于伸展部沿着动物的纵向轴线的等高线图的值表
      deformation_G2.png:在动物的横向轴线的拉伸部件的轮廓图
      deformation_G2.txt:对应于拉伸的组件的轮廓图中的动物的横向轴线值的表
      注意:不要混淆样的文件，.g2的终止，与向量G2。花键文件已结束.g2以下的花键库的命名约定。在另一方面，所述载体G1和G2分别表示纵向和横向方向相对于所述动物。
      注:黑像素:轮廓文件与在四个棱角分明的特点，以方便参数空间的演绎产生的最尾，最背点;红色像素角:MOS吨喙，最背点;绿色像素角:最尾，最腹点;蓝像素角:最喙，最腹点。

结果

这种方法已被成功地用于研究由不同膨胀器的几何形状引起的变形:矩形，球形和新月形扩展器^31，32。对应于球和月牙扩展结果接下来讨论。 图2示出的三个步骤MVS模型重构的。其出发点是从静态的现场照片的集合。与纹身网格和测量尺动物静卧的照片，从不同角度拍摄的。照片之间的MVS算法匹配的特征提取的三维坐标。其结果，产生由具有纹理一个三角形网格的几何模型。

这里描述的协议可以被用于研究组织膨胀过程的不同方面。变化在由球和新月形扩展感应区域菌株是膨胀过程的一个重要方面，因为它会导致在皮肤的生长的量的地区差别。这两款器件都充满在每个时间点相同的体积。在0,2，7，10，和15天时进行五个通货膨胀步骤生成的50，75，105，165，和225毫升填充体积。 图3示出了在每个膨胀步骤结束...

讨论

在这里，我们提出了一个协议来表征在使用多视点立体（MVS）和isogeometric运动学（IGA运动学）猪模型的组织膨胀过程期间引起的变形。期间的组织扩张，皮肤经受大的变形从光滑和相对平坦的表面要圆顶状3D形状。皮肤，像其他生物膜^34，响应通过产生新的材料伸展，在区域可随后用于重建目的³⁵增加。因此，通过膨胀机所产生的拉伸的精确测定是至关重要的理解，调节皮肤的适应机制。规划的膨胀过程是有挑战性的，因为组织扩张器有不同的大小和形状，拉伸分布不均匀在整个扩展区域，它依赖于¹¹通货膨胀的位置和速度^，REF"> 36，具有一协议来准确地估计膨胀引起的变形，并且能够解决大的应变，三维形状和区域变化的，打开了新的途径来研究皮肤生长的机械调节，并且可以最终导致定量术前规划工具。为实现这一目标，我们开发了一种非侵入性的，负担得起的，灵活的方法来测量皮肤扩张³²的猪模型变形。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
尤卡坦微型猪	辛克莱生物资源，温德姆，缅因州	N/A
抗生素	圣克鲁斯动物健康，帕索罗伯斯，加利福尼亚州	sc-362931Rx	头孢噻呋，剂量 5 毫克/千克肌内
基于洗必泰的手术肥皂	Cardinal Health，都柏林，俄亥俄州	AS-4CHGL（4-32）	4% 葡萄糖酸氯己定手术洗手
转移介质	Hildbrandt Tattoo Supply， Point Roberts， WA	TRANSF	热敏纹身转移纸
含肾上腺素的利多卡因	ACE Surgical Supply Co， Brockton， MA	001-1423	盐酸利多卡因 1%（赛洛卡因） - 肾上腺素 1：100,000,20 mL
丁丙诺啡	ZooPharm，温莎，CO		1 mg/mL 缓释，剂量 0.01 mg/kg 肌内
注射数码相机	Sony	Alpha33	标准数码相机 18 - 35 mm 镜头，3.5 - 5.6 光圈。在自动模式下使用，无闪光
卷尺	Medline，Mundelein，伊利诺伊州	NON171330	可伸缩卷尺，布，塑料盒，72 英寸
组织扩张器	PMT，Chanhassen，MN	03610-06-02	4 cm x 6 cm，矩形，120 cc，3610 系列 带标准端口的 2 级组织扩张器
ReCap360	Autodesk	N/A	MVS 软件，Web 应用程序：recap360.autodesk.com
Blender	Blender Foundation	N/A	计算机图形软件，开源：blender.org
SISL	SINTEF	N/A	样条库，开源：https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/