Name: 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 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-16T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 14 s
Description: 了解使用多视点立体和等几何运动学在尤卡坦小型猪模型中定量分析皮肤扩张应变的方法。该技术通过计算分析和灵活的三维成像技术，可在手术室中实时监测组织变形，为重建手术提供精确的应变图谱。

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本研究由美国国立卫生研究院（NIH）资助，资助编号为 1R21EB021590-01A1，资助对象为 Arun Gosain 和 Ellen Kuhl。

本方案涉及动物实验。该方案已获得芝加哥安妮和罗伯特·H·卢里儿童医院研究中心动物护理和使用委员会（IRB）的批准，以确保对动物的人道对待。使用本方案进行的两项扩增研究的结果已在其他地方发表16,31。
执行本方案需要一支具备互补专业知识的团队。本方案的第一部分描述了动物模型上的手术操作，需要具备相应医学培训背景的人员来完成。后续的分析，特别是第4和第5部分，涉及C++和Python中的基础计算机编程技能，并需要使用命令行shell。
1. 扩张器置入的手术步骤
注意：参与手术操作的人员必须进行无菌刷手并以无菌方式穿戴手术衣。在手术区域周围铺置无菌毛巾和手术单以维持无菌环境。所有器械、缝线及组织扩张器均须在无菌包装内提供，并仅由无菌操作人员接触。在手术完成之前，不得破坏手术部位的无菌状态。
<ol>
	<li>将一月龄雄性尤卡坦小型猪在标准饲养环境中适应一周，并进行喂食 随意摄取.</li>
	<li>手术当天，使用氯胺酮/乙酰丙嗪（4 - 6 mg/kg）进行麻醉诱导，随后以异氟烷维持麻醉。通过监测眼睑反射评估麻醉深度。同时监测生命体征（心率、体温、呼吸频率和/或组织镊夹捏反应）。在眼部涂抹眼用软膏，以防止角膜擦伤。</li>
	<li>给予术前抗生素，并使用含氯己定的外科皂液清洁背部皮肤。转移四个 10 x 10 cm2 使用纹身转印介质在动物两侧各标记两个带有1厘米刻度线的网格，对应猪皮肤上的以下四个区域：左侧吻侧、右侧吻侧、左侧尾侧和右侧尾侧。使用带有中线参考的模板，以确保网格图案对称放置。
	<ol>
		<li>用圆珠笔在纸上用力描出网格的轮廓以制作网格。用异丙醇擦拭动物身上准备放置网格的区域。</li>
		<li>将网格（钢笔墨水面朝下）直接贴于皮肤上。酒精的作用是 水蛭 将部分墨水从纸上擦下，将网格线转移到动物皮肤上。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在每个计划切口部位皮下注射局部麻醉剂（1% 利多卡因含 1:100,000 肾上腺素）。</li>
	<li>在动物两侧的两个网格中点处分别做一切口。 
	注意：切口位于动物身体两侧的两排栅格之间，分别为左侧切口和右侧切口。</li>
	<li>使用止血钳在目标网格下方创建皮下隧道。完成隧道制备后，将扩张器插入网格下方。 
	注意：在任何将要放置组织扩张器的区域下方均需放置隧道。</li>
	<li>通过在动物背侧中线以类似方式建立的皮下隧道，将扩张器注水口置于远离扩张器的位置。缝合关闭切口。</li>
	<li>术后，对动物使用预防性抗生素（头孢噻呋，5 mg/kg，肌内注射，一次）以及镇痛剂（布托啡诺，0.05–0.1 mg/kg，肌内注射，每12小时一次，共4次），若动物出现痛苦迹象，可追加给药。</li>
	<li>术后持续观察动物2小时，期间常规监测生命体征，直至动物恢复行走能力并能维持正常体温。将动物单独饲养在笼中并持续监测，直至其能够在四肢支撑下独立行走，方可转移回正常饲养区域，并允许无人看护。</li>
	<li>麻醉后即刻恢复期结束，每日检查动物以评估伤口愈合情况。术后14天拆除缝线。这些切口无需包扎，让切口自然愈合3至4周后再开始扩张。</li>
</ol>
2. 充气方案
注意：每次扩张囊充气的时间以及每次使用的溶液量取决于具体研究的问题。为了表征不同扩张囊几何形状的影响，一个合适的方案是在第0、2、7、10和15天进行五次充气步骤，分别达到50、75、105、165和225 cc的填充体积。
<ol>
	<li>每次充气前，通过注射氯胺酮（4 - 6 mg/kg）和右美托咪定（20 - 80 µg/kg）对动物进行镇静。 
	注意：右美托咪定是一种α-肾上腺素能受体激动剂，可通过等体积比（1:1 体积:体积）给予阿替美唑进行逆转，以促进动物更快恢复；然而，该程度的镇静可能不足以使动物耐受扩张过程，存在对动物或操作人员造成意外伤害的风险。若出现此情况，可在氯胺酮/乙酰丙嗪诱导后，通过面罩通气给予异氟烷实施全身麻醉。</li>
	<li>使用手术胶带将两条塑料软尺固定于动物皮肤上，将软尺置于左右两侧网格之间。</li>
	<li>将动物侧放，并从尽可能多的不同角度拍摄场景照片共30张。 
	注意：目标是捕捉动物侧卧时两侧可见网格的几何形态。
	<ol>
		<li>首先，将相机置于动物上方并朝尾侧倾斜，拍摄一张纹身网格完全可见且充满画面的照片。</li>
		<li>随后，沿从尾侧到头侧的弧形路径围绕动物做环形移动，沿途拍摄照片，确保每张照片中可见的纹身网格均完整位于画面内。
		<ol>
			<li>同时，尽量使网格在画面中占据最大空间。理想的照片应能清晰显示动物背部的纹身网格，且背景区域尽可能小。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>接着，将相机朝向腹侧，调整拍摄角度使其大致与地面平行，并沿从腹侧到背侧的弧形路径继续拍摄照片。 
		注意：照片数量并非固定值。为实现良好的三维重建，纹身网格上的每个点至少应出现在3张照片中；总共30张照片通常足以成功完成几何重建。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将动物置于对侧，按照上述相同步骤对剩余两个网格拍摄30张照片。</li>
	<li>执行充气步骤：找到远程注液口，注入与目标扩张方案相对应体积的生理盐水。使用无菌0.9%可注射生理盐水。
	<ol>
		<li>定位注液口，并用异丙醇擦拭动物皮肤表面进行消毒。使用连接于装有无菌可注射生理盐水注射器的无菌25号蝶形针穿刺进入注液口。 
		注意：如上所述，在扩张器植入过程中，注液口已通过皮下隧道引至动物背部前正中线位置。</li>
		<li>注入所需体积的生理盐水。有关扩张过程中各阶段注入的具体充液体积，请参见本节开头的说明。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>完成充气后，重复进行拍照采集步骤。</li>
	<li>充气方案完成后，对动物实施安乐死。
	<ol>
		<li>在氯胺酮/乙酰丙嗪诱导后，通过面罩通气给予异氟烷实施全身麻醉。通过监测眼睑反射评估麻醉深度，并持续监测生命体征（心率、体温、呼吸频率和/或组织镊夹刺激反应）。</li>
		<li>通过静脉注射过量戊巴比妥钠（90 - 100 mg/kg）实施安乐死。在给予致死剂量戊巴比妥钠后，需通过脉搏血氧仪检测和脉搏触诊确认无心跳，以及确认无自主呼吸，以判定动物死亡。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 多视角立体重建
<ol>
	<li>使用市售软件上传图像文件并重建几何模型。
	<ol>
		<li>在浏览器中启动 MVS 软件并登录。</li>
		<li>选择 照片转3D 左上角</li>
		<li>点击 添加照片, 浏览到图像所在位置，并手动选择对应于单个模型的30张照片。</li>
		<li>命名模型并单击 创建</li>
		<li>等待模型创建完成。此过程可能需要几分钟。单击 仪表盘 向右返回软件的原始登录页面。 
		注意：仪表板显示了用户创建的几何模型的代表性图像。</li>
		<li>将光标置于刚刚创建的模型上，然后将光标移至模型图像的右下角，单击 下载量 并选择 obj.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 样条曲面拟合
<ol>
	<li>使用开源软件处理几何模型。</li>
	<li>点击 文件-&#62;导入-&#62;obj 导入由 MVS 软件生成的文件。在 3D 视图底部点击 视口着色 并选择 质地在3D视图右侧查找一个标签，其下包含以下子菜单： 转化, grease pencil, 查看, 3D 铅笔, 等等。 点击 遮光 并选择 无遮荫.</li>
	<li>右键点击几何体以选中它。在3D视图底部选择 编辑模式 以可视化三角网格。</li>
	<li>依次选择卷尺上1 cm刻度处的各个节点。
	<ol>
		<li>右键单击以选择一个点，并高亮该点。该点的坐标将显示在3D视图右侧的标签中。选择并复制所选点的坐标至文本文件。</li>
		<li>对卷尺上所有 1 cm 刻度标记处的点重复此操作。</li>
		<li>对两个卷尺均进行此操作。提供的坐标文本文件示例如下： tape1.txt, tape2.txt. 
		注意：如果网格在关注点上没有节点，则需细分网格，直到关注点上出现节点为止。要细分网格，请通过按下选择三角形的三个顶点 移位 关键点并右键点击顶点，然后点击按钮 细分 在3D视图左侧出现的选项卡上。此操作会在选定的三角形内添加三个额外的节点。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>选择网格的 11 × 11 个点，并将 121 个点的坐标按照图示模式保存到一个文本文件中 图1.
	<ol>
		<li>与卷尺的操作类似，要选择网格上的一个点，可右键单击该点，该点将被高亮显示。所选点的坐标将出现在3D视图右侧的选项卡中。将所选点的坐标复制并粘贴到文本文件中 
		注意：网格点的编号始终从尾侧到头侧，以及从背侧中线向腹侧区域进行。这种排序方式确保了任意两个区域的参数空间保持一致。例如，文件 gridReference.txt 其中提供了包含皮肤区域121个点坐标的文件。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>下载、编译并安装 C++ 样条库。该文件 splineLibraryInstallation.txt 包含样条库源代码的链接及安装说明。</li>
	<li>编译源代码 generateCurve.cpp 生成可执行文件 生成曲线 
	注意：该程序 生成曲线 只需编译一次。要编译此 C++ 源代码并生成可执行文件，请遵循源代码文件顶部的说明 generateCurve.cpp.</li>
	<li>使用该程序 生成曲线 将样条曲线拟合到卷尺和网格点上。在 Bash shell 中运行可执行文件时，输入 
	目录$ ./generateCurve
	<ol>
		<li>运行程序后，系统将提示用户输入包含卷尺坐标文件的路径。随后，程序将要求用户为输出文件指定名称。添加终止符 .g2 添加到文件名。 
		注意：终止 .g2 代表 go工具，且与样条库相关联。本方案提供了两个对应于卷尺的样条文件示例（tape1.g2，tape2.g2).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用 Python 脚本 scalePoints.py 缩放网格点。在 Bash 命令行提示符中运行程序，并输入三个参数：网格点的文件名，以及对应卷尺的样条曲线文件名 
	目录$ python scalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2 
	注意：该脚本 scalePoints.py 导入脚本 B_spline.py 和 NURBS_曲线.py因此，所有三个脚本必须位于同一文件夹中。</li>
	<li>编译源代码 generateSurface.cpp 生成可执行文件 生成表面. 
	注意：此步骤仅需执行一次。源代码文件开头提供了更详细的说明 generateSurface.cpp.</li>
	<li>使用该程序 生成表面 拟合样条曲面至网格点。运行可执行文件 生成表面 在 Bash shell 上 
	目录$ ./generateSurface
	<ol>
		<li>在 shell 中运行该程序时，将提示输入包含缩放点的文件名，然后提示输入输出文件的名称。请添加终止符 .g2 输出文件名。 
		注意：终止 .g2 由样条库建议并表示 go工具文件 gridReference.g2 和 gridDeformed.g2 作为示例提供。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 扩张诱导变形的定量分析
<ol>
	<li>在 Bash 命令行提示符中启动 Python 
	目录$ python 
	注意：Python 会初始化 口译员， 这是一个类似于 shell 的界面，将显示一个新的命令行环境 >>></li>
	<li>导入脚本 expansionIGA.py 包含一个名为 评估膜免疫球蛋白A 
	>>> from expansionIGA import evaluateMembraneIGA</li>
	<li>调用该函数 评估膜性IgA 用于计算形变图。 
	注意：此函数的参数包括： 
	参考曲面的文件名 
	变形表面的文件名 
	评估的分辨率（每个方向上评估的点数） 
	用于缩放等高线图的面积拉伸最小值 
	用于缩放等高线图的面积拉伸最大值 
	纵向拉伸最小值，用于缩放轮廓 
	纵向拉伸最大值，用于缩放轮廓 
	横向拉伸最小值，用于缩放轮廓 
	横向拉伸最大值，用于缩放轮廓 
	等高线图中网格线之间的间距 
	输出文件名
	<ol>
		<li>例如，运行 
		>>> evaluateMembraneIGA('gridReference.g2', 'gridDeformed.g2', 250, 3, 0.5, 2, 0.5, 2, 0.5, 25, 'deformation') 
		注意：此命令将生成并保存六个输出文件。请注意，上述示例中的最后一个参数为输出文件名 形变因此，将生成的文件包括： 
		deformation_theta.png：面积拉伸的等高线图 
		deformation_theta.txt与面积拉伸等高线图对应的数值表 
		变形_G1.png：动物纵轴方向拉伸的等高线图 
		变形_G1.txt与动物纵轴拉伸等高线图相对应的数值表 
		deformation_G2.png：动物横向轴向上拉伸分量的等高线图 
		变形_G2.txt与动物横向轴向拉伸分量的等高线图相对应的数值表 
		注意：不要将样条文件的扩展名混淆， .g2 与载体一起 G2. 样条文件的扩展名为 .g2 遵循样条库的命名规范。另一方面，向量 G1 和 G2 表示相对于动物的纵向和横向方向。 
		注意：轮廓文件在四个角具有不同的特征，以方便参数空间的解读：黑色像素角为最尾侧、最背侧点；红色像素角为最头侧、最背侧点；绿色像素角为最尾侧、最腹侧点；蓝色像素角为最头侧、最腹侧点。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Gosain, A. K., Zochowski, C. G., Cortes, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Refinements+of+tissue+expansion+for+pediatric+forehead+reconstruction%3A+a+13-year+experience%5BTitle%5D)+AND+%22Plast+Reconstr+Surg%22%5BJournal%5D)">Refinements of tissue expansion for pediatric forehead reconstruction: a 13-year experience.</a> Plast Reconstr Surg. 124, 1559-1570 (2009).</li>
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作者无任何利益冲突需要披露。

本文介绍了一种利用多视角立体成像（MVS）和等几何运动学（IGA kinematics）在猪模型中表征组织扩张过程中诱导变形的实验方案。在组织扩张过程中，皮肤会经历显著的形变，从原本平滑且相对平坦的表面转变为类似穹顶的三维形态。皮肤与其他生物膜类似34，在受到拉伸时会生成新的组织，从而增加表面积，可用于重建手术35。因此，精确测定扩张器所产生的拉伸程度，对于理解调控皮肤适应性生长的机制至关重要。制定扩张手术方案具有挑战性，因为组织扩张器具有不同的尺寸和形状，拉伸分布在整个扩张区域并不均匀，且受扩张位置和注液速率的影响11,36。建立一种能够准确评估扩张诱导变形、并可解析大应变、三维形态及区域差异的实验方法，将为研究皮肤生长的力学调控机制开辟新途径，并有望最终发展为定量化的术前规划工具。为实现这一目标，我们开发了一种非侵入性、成本较低且灵活的方法，用于在猪皮肤扩张模型中测量变形32...

组织扩张是整形与重建外科中一种常见的技术，用于生长皮肤 体内 用于修复大面积皮肤缺损 11957年，Neumann 首次记录了这一手术。他在患者皮下植入一个球囊，并在数周内逐渐将其扩张，以生成新组织并重建耳部表面。 2皮肤与大多数生物组织类似，会通过适应所受的力和形变以达到力学上的稳态。当皮肤受到超出生理范围的拉伸时，便会生长。 3,4组织扩张的一个核心优势在于能够生成具有适当血管化的皮肤，且其毛发分布、力学特性、颜色和质地均与周围组织相同。 5.
自六十年前引入以来，皮肤扩张技术已被整形与重建外科医生广泛采用，目前用于矫正烧伤、大面积先天性缺损以及乳房切除术后乳房重建6,7。然而，尽管该技术应用广泛，皮肤扩张手术仍可能引发并发症8。部分原因在于缺乏足够的定量证据来理解该手术的基本力学生物学机制，并在术前规划期间为外科医生提供指导9,10。该技术的关键参数包括注水速率、每次扩张的注水体积、扩张器形状与尺寸的选择，以及装置的放置位置11,12。目前的术前规划主要依赖医生的经验，导致存在大量任意性方案，且这些方案之间往往差异显著13,14,15。
为弥补当前的知识空白，我们提出了一种实验方案，用于量化组织扩张中猪动物模型因扩张引起的变形。该方案采用多视角立体成像技术（MVS），从相机位置未知的二维（2D）图像序列中重建三维（3D）几何结构。通过样条函数对光滑曲面进行表达，并利用等几何分析（IGA）描述方法计算相应的变形图。几何结构的分析基于具有显式参数化的膜连续介质力学理论框架16。
在长时间尺度下表征活体材料具有生理相关性的形变仍是一个具有挑战性的问题。目前常见的生物组织成像策略包括立体数字图像相关技术、基于反射标记点的商用动作捕捉系统以及双平面视频透视成像。 17,18,19然而，这些技术需要严格的实验设置，通常成本较高，且主要用于 离体 或急性 体内 皮肤具有结构较薄的优势。尽管其由多层组成，但真皮层主要决定了组织的力学特性，因此表面形变至关重要。 20；关于面外变形，可作出合理的运动学假设 21,22此外，皮肤已直接暴露于外部环境，因此可以使用常规成像工具来获取其几何形态。本文提出采用多视角立体视觉（MVS）作为一种经济且灵活的方法，用于监测 体内 数周内对皮肤变形进行监测，且不会显著干扰组织扩张方案。MVS 是一种从一组相机角度未知的二维图像中提取物体或场景三维表示的技术。 23仅在过去三年中，出现了几种商业代码（参见材料列表中的示例）。采用多视角立体视觉（MVS）进行模型重建的精度很高，误差可低至2% 24，使该方法适用于皮肤运动学表征 体内 长时间地。
为了获得组织扩张过程中皮肤的相应变形图，需匹配任意两种几何构型之间的对应点。传统上，计算生物力学领域的研究人员采用有限元网格和逆向分析方法来获取变形图25,26。本文采用的等几何分析（IGA）方法使用样条基函数，对薄膜结构的分析具有多项优势27,28。具体而言，高阶多项式的可用性使得即使在非常粗糙的网格下也能实现光滑几何形状的精确表达29,30。此外，可以将相同的底层参数化形式拟合到所有表面块上，从而避免了因离散化不匹配而需求解逆问题的困难。
此处所述方法为研究相关皮肤力学开辟了新的途径 体内 长时间保持设置。此外，我们希望本研究方法能成为实现最终目标的关键一步，即在临床环境中开发用于个性化治疗规划的计算工具。

<table><tbody><tr><td>尤卡坦小型猪</td><td>Sinclair Bioresources, Windham, ME</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>抗生素</td><td>Santa Cruz Animal Health, Paso Robles, CA</td><td>sc-362931Rx</td><td>头孢噻呋，剂量 5 mg/kg，肌肉注射</td></tr><tr><td>含氯己定的外科洗手皂</td><td>Cardinal Health, Dublin, OH</td><td>AS-4CHGL(4-32)</td><td>4% 葡萄糖酸氯己定外科手部擦洗剂</td></tr><tr><td>纹身转印介质&amp;nbsp;</td><td>Hildbrandt Tattoo Supply, Point Roberts, WA</td><td>TRANSF</td><td>模板热敏纹身转印纸</td></tr><tr><td>含肾上腺素的利多卡因</td><td>ACE Surgical Supply Co, Brockton, MA</td><td>001-1423</td><td>盐酸利多卡因 1%（Xylocaine）- 肾上腺素 1:100,000，20 mL</td></tr><tr><td>丁丙诺啡</td><td>ZooPharm, Windsor, CO</td><td></td><td>1 mg/mL 缓释剂型，剂量 0.01 mg/kg，肌肉注射</td></tr><tr><td>数码相机</td><td>Sony</td><td>Alpha33</td><td>标准数码相机，配备 18 - 35&amp;nbsp;mm 镜头，光圈 3.5 - 5.6。使用自动模式，不使用闪光灯</td></tr><tr><td>卷尺</td><td>Medline, Mundelein, Illinois</td><td>NON171330</td><td>可伸缩布质卷尺，塑料外壳，72 英寸</td></tr><tr><td>组织扩张器</td><td>PMT, Chanhassen, MN</td><td>03610-06-02</td><td>4 cm × 6 cm，矩形，120 cc，3610 系列双阶段组织扩张器，带标准端口</td></tr><tr><td>ReCap360</td><td>Autodesk</td><td>N/A</td><td>MVS 软件，网络应用程序：recap360.autodesk.com</td></tr><tr><td>Blender</td><td>Blender Foundation</td><td>N/A</td><td>计算机图形软件，开源：blender.org</td></tr><tr><td>SISL</td><td>SINTEF</td><td>N/A</td><td>C++ 样条函数库，开源：https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/</td></tr></tbody></table>

利用多视角立体成像与等几何运动学在皮肤扩张的猪模型中进行应变量化

Quantification of Strain in a Porcine Model of Skin Expansion Using Multi-View Stereo and Isogeometric Kinematics

组织扩张是整形与重建外科中一种常用的皮肤增殖技术 体内 用于修复烧伤和巨大先天性痣等大面积皮肤缺损。尽管组织扩张术应用广泛，但由于难以测量每次注水扩张步骤以及整个治疗过程中施加的形变，制定和实施扩张方案仍具挑战性。量化形变场至关重要，因为拉伸应变在时间上的分布决定了治疗结束时新生皮肤的生成速率和数量。在本论文中，我们提出一种研究组织扩张的方法，以定量获取扩张过程中所诱导形变的信息。该实验方案结合多视角立体成像与等几何运动学分析，在猪的组织扩张模型中进行应用。多视角立体成像技术能够从未标定的图像序列中实现三维几何重建；等几何运动学分析则利用样条函数，通过较少的网格点描述光滑表面之间的区域形变。本方案有望弥合关于皮肤扩张力学机制的基础科学研究与临床应用之间的鸿沟。最终，我们预期通过该方法获得的知识将能够实现个性化的治疗规划，借助皮肤形变的计算机模拟来指导临床实践。

该方法已成功用于研究不同扩张器几何形状（矩形、球形和新月形扩张器）所引起的变形31,32。下文将讨论球形和新月形扩张器对应的结果。图2展示了多视图立体重建（MVS）模型的三个步骤。起始点是从静态场景中获取的一组多角度照片。拍摄时，带有纹身网格和刻度尺的动物保持静止。MVS算法通过匹配各照片间的特征点提取三维坐标，最终生成一个带有纹理的三角网格几何模型。
本文所述方案可用于研究组织扩张过程的不同方面。球形和新月形扩张器所诱导的区域应变差异是扩张过程中的一个重要方面，因为它会导致皮肤生长量的区域性差异。两种装置在每个时间点均被填充至相同体积。在第0、2、7、10和15天共进行了五次充液操作，对应的填充体积分别为50、75、105、165和225 cc。图3展示了每次充液步骤...

本方案采用多视角立体成像技术，从未经校准的系列照片中生成三维（3D）模型，成本低廉且可灵活适用于手术环境。通过基于样条的等几何运动学方法对3D模型间的应变图进行量化，该方法能够在共享相同参数化的粗网格上实现光滑曲面的精确表达。

组织扩张是整形与重建外科中一种常用技术，通过在体内生长皮肤，用于修复大面积缺损，如烧伤和……

本实验的总体目标是利用等几何分析和多视角立体成像技术，量化组织扩张过程中皮肤的应变图。该方法有助于解答组织扩张领域内重建外科中的关键问题，例如确定不同扩张器形状、尺寸和充液速率所引起的区域形变。该技术的主要优势在于采用了计算分析与灵活的三维成像技术。因此，该技术可在手术室中使用，且无需改变常规手术流程。该技术在治疗方面具有广泛的应用前景，因其可轻松转化为临床应用，用于监测接受组织扩张术的人类患者的皮肤变形图。首先，使用剃刀剃除尤卡坦小型猪背部的皮肤毛发，为其手术做好准备并实施麻醉。用胶带去除残留的毛发，并用异丙醇彻底擦拭皮肤，以清除污染物。接着，确定动物体表的背正中线，用笔标记出四个网格的背侧边界，使其位置距离背正中线约两厘米。在皮肤上标记第一个前部网格的位置后，留出三厘米的间隙，再标记后部网格的位置。最后，确认标记的前部和后部网格位置相对于背侧中线对称，并且位于相同的尾上距离处。标记好网格位置后，准备一个10厘米×10厘米网格的纸质模板。制备方法是：用圆珠笔反复涂色，使网格线条明显加粗，然后修剪模板。接下来，用异丙醇彻底润湿所需皮肤区域，以促进网格描记的转移，并让多余的酒精自然风干，以防止墨水渗漏。将准备好的网格模板边缘与皮肤上的标记对齐，将网格墨水面向下贴附于皮肤，然后轻轻按压网格模板，确保墨水完全转移。数秒后，缓慢地将网格从皮肤上移除，并确认网格描记已正确转移。纹身前，在网格描迹上涂抹凡士林以减少墨水扩散，然后使用纹身设备将纹身墨水覆盖于网格线条上。完成第一个网格的纹身后，将第二个网格的描迹转移至动物皮肤上，确保两个网格相互间隔三厘米。完成第二个网格的纹身后，确认两个网格均位于背侧中线外侧两厘米处。完成四个网格纹身后，确认它们位于背侧中线两侧两厘米处，并再次相互间隔三厘米。开始手术时，在麻醉后的猪皮肤上标记切口位置，该位置位于两个网格的中点处，然后标记扩张器的预期放置位置，使其位于纹身网格的上部区域。使用手术刀切开皮肤，再用剪刀在初始切口与扩张器预定放置区域之间创建一个紧密的皮下隧道，随后在标记的扩张器放置部位进行钝性分离，以制备出容纳扩张器的腔隙。接下来，用抗生素溶液冲洗所创建的皮下隧道以防止感染，并将扩张器插入其皮下囊袋中。扩张器就位后，标记两个位于背侧中线附近的切口位置，用于扩张器注水端口的放置，然后用手术刀进行切开。随后，通过尾侧切口插入止血钳，分离另一条皮下隧道，将其与先前用于放置扩张器的切口相连，然后夹住扩张器的导管，并将其从尾侧端口切口中拉出。使用第二个切口分离出用于放置注水端口的皮下 pocket，并将端口置入该 pocket 中。使用止血钳创建另一个皮下隧道，连接两个端口放置切口，然后用止血钳夹住端口的导管，从与扩张器导管同一侧的切口拉出。修剪两根导管后，通过金属连接器将它们连接。 通过在导管周围缝合，固定适配器两侧的连接。将导管从最初制作的切口处穿过，使导管系统置于皮下。然后将连接有50毫升注射器（内含液体）的21号针头经皮肤插入扩张器端口，通过抽拉活塞排出扩张器内的空气。待所有空气排尽后，向扩张器端口注入约10毫升液体，以确认其充盈正常。最后，使用外科缝线关闭所有三个切口，然后在猪体另一侧两个网格之间的切口位置做标记，以便将第二个扩张器以相对于第一个扩张器呈对角线的方向放置。麻醉动物后，使用手术胶带将塑料软尺固定在网格之间，再将动物侧放，对网格进行拍照记录。拍照时必须从多个不同角度拍摄，确保图像聚焦清晰，并主要包含目标物体而非背景。这将确保准确的三维几何重建，对分析至关重要。首先将相机置于动物上方，但向尾侧倾斜，以拍摄大致与地面平行的照片，确保纹身网格完全可见并充满画面；然后沿从尾侧到头侧的弧形路径围绕动物做环形移动，在移动过程中拍摄照片，并始终确保所有纹身网格均位于画面内且充满整个画面。接着，将相机朝向腹侧，拍摄角度大致与地面平行，并沿从腹侧到背侧的弧形路径继续拍摄照片。拍摄动物两侧照片后，根据所使用的方案进行充气操作。首先，用异丙醇清洁动物端口周围的皮肤。接着，用0.9%可注射生理盐水填充注射器，并将其连接至25号蝶形针头。接下来，将针头连接到注射口，然后将生理盐水注入扩张器中。注射完成后，如同之前一样，再次对网格进行拍照记录。为进行数字重建，请使用市售的软件。在本演示中，使用 MVS。首先，选择左上角的“照片转 3D”选项。接着，点击“添加照片”，浏览至图像所在位置，手动选择对应单个模型的 30 张照片，然后为模型命名并点击“创建”。创建模型可能需要几分钟时间。接下来，单击右侧的 dashboard 返回，以查看几何模型的代表性图像。如需保存模型用于分析，请在右下角选择该模型，单击 downloads，然后选择 obj 格式。使用开源软件处理几何模型。导入由MVS软件生成的文件，然后在3D视图底部点击视口着色并选择纹理。在3D视图右侧查找包含着色子菜单的选项卡。在着色选项中选择“无阴影”，然后右键单击几何体以选中它，并在3D视图底部选择编辑模式以显示三角网格。接着，通过右键单击并高亮标记点，逐个选择网格的节点。该点的坐标将显示在3D视图右侧的选项卡中。选择并复制这些坐标，然后将它们粘贴到一个文本文件中。对网格的所有点重复此操作，以保存全部121个坐标，随后按照文本方案中的说明，利用这些数据最终量化形变。该方法已成功应用于研究不同扩张器几何结构所诱导的形变。重点关注了球形和新月形扩张器引起的区域应变变化。两种装置在每个时间点均填充至相同体积。基于重建的样条曲面，通过参考网格和变形后网格计算形变。第0天被视为参考时间点。通过将每次扩张步骤结束时的结果与参考状态进行比较，并分析等值线图，进而对面积变化、角度θ以及两个正交方向上的拉伸率λ的演变过程进行了分析。最终，等值线图的空间分布变化显示，皮肤在扩张器中心区域的拉伸程度大于周边区域。有趣的是，尽管两个扩张器填充的体积相同，但填充球形扩张器引起的皮肤变形比填充新月形扩张器更大。观看本视频后，您应能够很好地掌握如何利用多视角立体成像和等几何分析来量化皮肤的变形图。在实施该操作过程中，使用卷尺对每个步骤进行拍照记录至关重要，以便在后续分析中对几何结构进行比例缩放。采用此方法后，还可进行其他实验，如组织活检、后续的组织化学分析和基因组测序，以进一步探究皮肤拉伸所引发的细胞层面反应。

quantification-strain-porcine-model-skin-expansion-using-multi-view

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

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

采用光学表面应变测量系统来表征支架植入引起的动脉应变分布。该可视化技术用于深入了解支架植入对宿主血管的影响。...

监测血管内支架置入过程中的管壁力学变化

采用延时显微镜和图像处理技术，在环境可控的生物反应器中对成纤维细胞介导的凝胶收缩及纤维蛋白纤维重排进行为期48小时的观察与分析 时期。...

观察与定量成纤维细胞介导的纤维蛋白凝胶收缩

我们描述了使用数字图像相关技术来表征经受单轴拉伸试验的血管组织样本表面局部应变场的方法。这些测量有助于精确量化样本的力学响应，并建立本构应力-应变关系。...

利用数字图像相关技术表征血管组织样本上的局部应变

本方法涉及在允许活细胞共聚焦显微镜观察的同时，对嵌入硅橡胶中的三维软水凝胶进行单轴拉伸。文中展示了对外部和内部水凝胶应变以及纤维取向的表征。所开发的装置与实验方案可用于评估细胞对不同应变条件的响应。...

活体显微成像下三维水凝胶的可控应变

双荧光透视技术可精确捕捉 体内 人体关节的动态运动，可相对于重建的解剖结构进行可视化观察（例如关节运动学）。本文提供了一项详细方案，用于量化日常生活负重活动中髋关节的关节运动学，包括将双平面透视技术与传统的皮肤标记点运动捕捉技术相结合的方法。...

体内动态负重活动中髋关节关节运动学的双荧光透视定量分析

本文介绍了一种用于测量肌腱离体组织内局部二维组织应变的开源数字图像相关算法。该技术的准确性已通过多种方法得到验证，并可供公众使用。...

测量肌腱中的局部组织应变 通过 开源数字图像相关法

本方案介绍了一种标准化的缝线扩张小鼠模型以及一种三维可视化方法，用于研究在张力加载下颅缝的力生物学变化及骨重塑过程。...

一种用于骨缝扩张小鼠模型中骨重塑的三维可视化技术

本方案采用基于直接线性变换校准的立体成像相机系统，用于采集三维数据 原位 拉伸状态下周围神经的位移。通过捕捉这些位移，可确定在不同拉伸程度下所诱发的应变，从而明确与拉伸相关的神经损伤阈值，推动基于拉伸机制的神经修复科学的发展。...

直接线性变换在测量中的应用 原位 拉伸过程中的周围神经张力

我们提供了一种利用立体摄影测量法对软组织变化进行三维分析的详细方案。...

基于立体摄影测量法的面部软组织容积变化定量评估方案

在本报告中，我们描述了一种三维皮肤重建模型，该模型在结构和组成上模拟了人类皮肤。该皮肤重建模型已被用于研究黑素细胞的生理特性、黑色素瘤的进展以及真皮干细胞的命运。此外，该模型还可作为药物评估的临床前工具。...

三维人类皮肤重建模型：研究正常皮肤与黑色素瘤进展的工具

了解使用多视点立体和等几何运动学在尤卡坦小型猪模型中定量分析皮肤扩张应变的方法。该技术通过计算分析和灵活的三维成像技术，可在手术室中实时监测组织变形，为重建手术提供精确的应变图谱。

利用多视角立体成像与等几何运动学在皮肤扩张的猪模型中进行应变量化

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