方法文章

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

DOI：

10.3791/55052

⸱

2017年4月16日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

本文内容

摘要

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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

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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

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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....

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方案

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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 ....

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结果

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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.......

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讨论

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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。

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披露

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二世作者什么都没有透露。

致谢

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这项工作得到了 NIH 授予 Arun Gosain 和 Ellen Kuhl 的 1R21EB021590-01A1 的支持。

....

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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， WATRANSF热敏纹身转移纸
含肾上腺素的利多卡因ACE Surgical Supply Co， Brockton， MA001-1423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，CO1 mg/mL 缓释，剂量 0.01 mg/kg 肌内
注射数码相机SonyAlpha33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，MN03610-06-024 cm x 6 cm，矩形，120 cc，3610 系列 带标准端口的 2 级组织扩张器
ReCap360AutodeskN/AMVS 软件，Web 应用程序：recap360.autodesk.com
BlenderBlender FoundationN/A计算机图形软件，开源：blender.org
SISLSINTEFN/A样条库，开源：https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/
注射 液纹身 C++

参考文献

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  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.

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Tissue ExpansionMulti View StereoIsogeometric AnalysisStrain QuantificationPorcine ModelSkin Deformation3D ReconstructionGrid TattooingExpander InflationRegional Strains

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