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
2017年4月16日
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。
本实验的总体目标是使用等几何分析和多视图立体量化组织扩张过程中皮肤的应变图。这种方法可以帮助回答组织扩张重建手术领域的关键问题，例如确定由不同扩张器形状、大小和充气率引起的区域变形。该技术的主要优点是它使用计算分析和灵活的 3D 成像技术。
因此，它可以在手术室中使用，而无需改变常规程序。这项技术的影响延伸到治疗，因为它可以很容易地转化为临床环境，以监测接受组织扩张的人类患者的皮肤变形图。首先，用剃须刀剃掉尤卡坦迷你猪的背皮，准备并麻醉用于手术的尤卡坦迷你猪。
用胶带去除任何残留的头发，并用异丙醇彻底擦拭皮肤以清除污染物。接下来，确定动物身体上的背侧中线，并用笔标记四个网格的背侧边界，使它们位于距离背侧中线约 2 厘米的位置。在皮肤上标记第一个前网格的位置后，留出三厘米的间隙并标记后网格的位置。
最后，确认标记的前网格和后网格位置相对于背中线对称，并且位于相同的尾上距离。标记网格的位置后，准备一个 10 厘米 x 10 厘米网格的纸张模板。为此，请用圆珠笔重复为线条着色，然后修剪模板，从而勾勒出网格
的轮廓。接下来，用异丙醇外用酒精彻底润湿所需的皮肤区域，以促进网格描记的转移，并让多余的酒精风干，这将防止墨水泄漏。将准备好的网格模板的边缘与皮肤上的标记对齐，将网格贴在皮肤上，墨水面朝下，然后轻轻地将网格模板压在皮肤上，以确保墨水完全转移。几秒钟后，慢慢地从皮肤上取下网格，并确保网格描摹已正确传输。
纹身前，用凡士林覆盖网格描摹以减少墨水的涂抹，并使用纹身装置，用纹身墨水覆盖网格的线条。一旦第一个网格纹身，将第二个网格的描摹转移到动物的皮肤上，确保两个网格彼此相距 3 厘米。在纹上第二个网格后，确认两个网格都位于背中线外侧两厘米处。
纹身后，确认它们位于距离背中线 2 厘米的位置，并再次分开 3 厘米。开始手术时，在麻醉猪的皮肤上标记一个切口部位，位于两个网格之间的中点，然后标记扩张器的所需位置，使其位于纹身网格的上部。用手术刀片切开皮肤，并使用剪刀创建一个紧密的皮下隧道，将初始切口与要放置扩张器的区域连接起来，然后钝地解剖标记的扩张器放置部位内的口袋。
接下来，用抗生素溶液清洗创建的隧道以防止感染，并将扩张器插入其皮下袋。扩张器就位后，标记靠近背中线的两个切口的部位，这些切口将用于放置扩张器端口，然后用手术刀进行切割。之后，通过尾部切口插入止血钳，解剖另一个皮下隧道，将其与之前用于放置扩张器的切口连接起来，然后抓住扩张器的管子并通过尾端口切口将其拉出。
使用第二个切口剖开一个口袋以放置充气端口，然后将端口插入口袋中。用止血钳创建另一个连接两个端口放置切口的皮下隧道，然后用止血钳抓住端口的管子，并通过放置扩张管的同一切口将其拉出。修剪完两根管子后，通过金属适配器连接它们。
通过在管道周围缝合来固定适配器两侧的连接。将管子拉过最初制作的切口，以便将管系统放置在皮下，然后将一个 21 号针头连接到装满液体的 50 毫升注射器上，通过皮肤到达扩张器端口，并通过拉动柱塞从扩张器中去除空气。去除所有空气后，将大约 10 毫升液体注入膨胀器端口，以确认其正确填充。
最后，通过手术缝合闭合所有三个切口，然后在猪身体另一侧的两个网格之间标记切口部位，以相对于第一个扩张器放置部位对角放置第二个扩张器。麻醉动物后，使用手术胶带在网格之间贴上塑料柔性卷尺，然后将动物放在一侧以对网格进行照片记录。从许多不同的角度拍摄照片至关重要，确保图像聚焦并主要包含感兴趣的对象而不是背景。
这将确保精确的 3D 几何重建，这对分析至关重要。首先将相机放在动物上方，但向尾侧倾斜，以捕捉与地面大致平行的镜头，纹身网格完全可见并填满画面，然后以圆形图案围绕动物从尾部到喙部方向，沿途拍照并始终捕捉画面中的所有纹身网格， 网格填充框架。接下来，将相机朝向腹侧，以捕捉与地面大致平行的拍摄角度，并在从腹侧到背侧区域的拱形中拍摄照片。
拍摄动物的两侧后，根据使用的方案执行充气步骤。首先，用异丙醇清洁端口周围动物的皮肤。接下来，在注射器中加入 0.9% 可注射盐水，并将其连接到 25 号蝶针上。
接下来，将针头连接到端口，然后将生理盐水注入扩张器中。注射后，像以前一样再次对网格进行照片记录。要进行数字重建，请使用市售软件。
在本演示中，使用了 MVS。首先选择 照片到 3D 在左上角。接下来，单击 add photos，浏览到图像的位置并手动选择对应于单个模型的 30 张照片，然后命名模型并单击 create。
创建模型可能需要几分钟时间。接下来，单击右侧的 dashboard 返回查看几何模型的代表性图像。要保存模型进行分析，请在右下角选择该模型，然后单击 downloads 并选择 obj。
使用开源软件处理几何模型。导入从 MVS 软件生成的文件，然后在 3D 视图的底部，单击视区着色并选择纹理。在 3D 视图右侧查找一个选项卡，其中的子菜单包含着色。
从着色中，选择无阴影，然后右键单击几何体以将其选中，然后在 3D 视图的底部选择编辑模式以可视化三角形网格。现在，通过右键单击并突出显示该点，逐个选择网格的节点。该点的坐标将显示在 3D 视图右侧的选项卡上。
选择并复制这些坐标，然后将它们粘贴到文本文件中。继续对网格的所有点执行此作，以保存所有 121 个坐标，然后按照文本协议中的说明最终量化此数据的变形。该方法已成功用于研究不同膨胀机几何形状引起的变形。
重点关注球体和新月形扩张剂诱导的区域应变变化。两个设备在每个时间点都填充到相同的体积。从重建的样条曲面中，使用参考和变形网格计算变形。
第 0 天被认为是参考。将每个充气步骤的结束与参考配置结果和等值线图进行比较，然后分析面积变化 θ 和两个正交方向的拉伸 lambda 的进展。最终，等值线图的空间变化表明，皮肤在扩张器中心比在外围被拉伸得更多。
有趣的是，即使两个膨胀器的填充体积相同，与新月形膨胀器的填充相比，填充球形膨胀器会引起更大的变形。观看此视频后，您应该对如何使用多视图立体和等几何分析来量化蒙皮的变形图有很好的了解。在尝试此过程时，请务必使用卷尺对过程的每个步骤进行照片记录，以便在分析过程中缩放几何形状。
按照这个程序，其他方法，如组织活检、随后的组织化学分析和基因组测序，都可以用来回答有关细胞对皮肤拉伸的潜在反应的其他问题。
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概述
本研究提出了一种使用等几何分析和多视图立体技术来量化组织扩张过程中皮肤应变图的方法。该技术旨在适用于手术环境，为不同扩张器配置引起的区域变形提供见解。
关键研究组成部分
科学领域
- 重建手术
- 组织扩张
- 3D成像技术
背景
- 了解皮肤变形对重建手术至关重要。
- 不同形状和大小的扩张器可能会引起不同的变形。
- 当前的方法可能无法适应实时手术应用。
- 等几何分析为建模这些变形提供了一种计算方法。
研究目的
- 量化组织扩张过程中皮肤的应变图。
- 评估扩张器形状、大小和充气速率的影响。
- 促进先进成像技术在临床环境中的使用。
使用的方法
- 多视图立体用于从照片生成3D模型。
- 基于样条的等几何运动学用于应变量化。
- 尤卡坦迷你猪的准备和麻醉以用于手术应用。
- 实时监测组织扩张过程中皮肤变形。
主要结果
- 成功从未校准的照片生成3D模型。
- 量化应变图，展示区域变形。
- 验证该方法在手术环境中的适用性。
- 有潜力在临床中应用以监测人类患者。
结论
- 该方法提供了一种灵活且经济的实时应变分析方法。
- 它增强了对扩张过程中组织行为的理解。
- 未来的应用可能会改善重建手术的患者预后。
常见问题
Executive Industry Relevance
Quantitative strain mapping in tissue expansion models addresses a critical gap in understanding biomechanical responses during reconstructive interventions. This capability enhances predictive confidence in tissue engineering and supports risk-adjusted decision-making for device and protocol development. Integrating advanced 3D imaging and computational kinematics enables translational continuity from preclinical models to clinical planning.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise interrogation of tissue mechanics under controlled expansion protocols.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying regional deformation responses to device variables.
- Facilitates functional validation of tissue engineering targets and device designs.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible 3D deformation maps for comparative device evaluation.
- Generates quantitative outputs suitable for downstream computational modeling and simulation.
- Enables scalable assessment of expander geometries and inflation regimens in preclinical workflows.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical biomechanical data with translational biomarker development for tissue growth.
- Supports continuity from animal models to human clinical planning through quantitative deformation analysis.
- Informs risk-adjusted advancement of novel reconstructive devices and protocols.
Pipeline & Workflow Integration
This method bridges early discovery, device screening, and translational research by providing quantitative biomechanical readouts in a preclinical model.
- Discovery Biology: Quantifies tissue response to mechanical expansion, supporting hypothesis-driven device optimization.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative strain maps for comparative analysis of device and protocol variables.
- Analytics: Enables extraction of spatial deformation metrics and statistical comparison across experimental conditions.
- Translational Research: Provides a foundation for computational simulation and personalized treatment planning.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable workflow for biomechanical assessment across tissue engineering programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in tissue mechanics and device performance.
- Operational Value: Standardizes biomechanical data collection and analysis for reproducibility.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for device and protocol advancement, reducing late-stage risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of reconstructive and tissue engineering assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D imaging, computational modeling, and biomechanical analysis.
- Needs access to multi-view stereo imaging systems and isogeometric analysis software.
- Demands cross-team standardization of imaging and data extraction protocols.
- Adaptable to various tissue models and device configurations with protocol adjustments.
- Dependent on high-quality image acquisition and precise anatomical landmarking.
