Name: Die Quantifizierung des Stammes in einem Schweinemodell von Haut Expansion Mit Multi-View Stereo und Isogeometrische Kinematics (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-16T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 14 s
Description: Erfahren Sie die Quantifizierung von Hautdehnung mit isogeometrischer Analyse und Multi-View-Stereo im Schweinemodell. Diese Methode ermöglicht die Kartierung regionaler Deformationen für die rekonstruktive Chirurgie.

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Diese Arbeit wurde durch das NIH-Stipendium 1R21EB021590-01A1 an Arun Gosain und Ellen Kuhl unterstützt.

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</ol>

SDie Autoren haben nichts zu offenbaren.

<html> Hier haben wir ein Protokoll, um die Verformungen zu charakterisieren während eines Gewebeexpansion Verfahren in einem Schweinemodell induziert mit Multi-View-Stereo (MVS) und Isogeometrische Kinematik (IGA Kinematik). Während Gewebeexpansion erfährt Haut gehen große Verformungen von einer glatten und relativ flachen Oberfläche mit einer kuppelartigen 3D-Form. Haut, wie auch andere biologische Membranen 34, reagiert , indem sie die Herstellung von neuem Material strecken, in der Fläche zu e...

Gewebeexpansion ist eine übliche Technik in der plastischen und rekonstruktiven Chirurgie , die Haut in vivo für die Korrektur von großen Hautdefekten 1 wächst. Neumann, im Jahr 1957, war der erste Chirurg dieses Verfahren zu dokumentieren. Er implantiert , um einen Ballon unter der Haut eines Patienten und aufgeblasen es nach und nach über einen Zeitraum von mehreren Wochen bis neues Gewebe zu wachsen und ein Ohr 2 wieder auftauchen. Haut, wie die meisten biologischen Geweben, passt sich ausgeübten Kräfte und Verformungen, um mechanische Homöostase zu erreichen. Wenn über die physiologischen Regime gestreckt, wächst Haut 3, 4. Einer der zentralen Vorteile der Gewebeexpansion ist die Herstellung von Haut mit der richtigen Vaskularisierung und der gleichen Haar Lager, mechanische Eigenschaften, Farbe und Textur als das umgebende Gewebe 5. Nach seiner Einführung vor sechs Jahrzehnten, Haut expansion wurde von plastischen und rekonstruktiven Chirurgen weithin angenommen und derzeit Verbrennungen, große angeborene Defekte zu korrigieren und für die Brustrekonstruktion nach Mastektomie 6, 7 verwendet wird. Doch trotz seiner weiten Verbreitung, Hautexpansionsverfahren kann zu Komplikationen 8 führen. Dies ist zum Teil auf den Mangel an ausreichendem quantitativen Nachweis erforderlich , um die grundlegende Mechanobiologie des Verfahrens zu verstehen und die Chirurgen während der präoperativen Planung 9, 10 zu führen. Schlüsselparameter in dieser Technik sind die Füllrate, Volumen pro Inflation Füllung, wobei die Auswahl der Form und Größe des Expanders und die Anordnung der Vorrichtung 11, 12. Aktuelle präoperativen Planung stützt sich weitgehend auf die Erfahrung des Arztes, in einer Vielzahl von beliebigen Protokollen führt, die oft greatl abweichen13 y, 14, 15. Um die aktuellen Wissenslücken sprechen, stellen wir ein experimentelles Protokoll expansions induzierte Verformung in einem porcinen Tiermodell der Gewebeexpansion zu quantifizieren. Das Protokoll beruht auf der Verwendung von Multi-View-Stereo (MVS) dreidimensionale (3D) Geometrien aus Sequenzen von zweidimensionalen (2D) Bildern mit unbekannten Kamerapositionen zu rekonstruieren. Verwendung von Keilen, die Abbildung der glatten Oberfläche führt zu der Berechnung der entsprechenden Verformungs Karten mittels einer Isogeometrische (IGA) Beschreibung. Die Analyse der Geometrie basiert auf den theoretischen Rahmen der Kontinuumsmechanik von Membranen eine explizite Parametrisierung mit 16. Charakterisieren physiologisch relevante Verformungen der Materialien über lange Zeiträume hinweg lebt nach wie vor ein schwieriges Problem. Gemeinsame Strategien fürBildgebung von biologischen Geweben umfasst stereoskopische Bildkorrelation, kommerzielle Bewegungserfassungssysteme mit reflektierenden Markern und biplane Video Fluoroskopie 17, 18, 19. Jedoch erfordern diese Techniken einen restriktiven Versuchsaufbau, sind in der Regel teuer, und haben für ex vivo oder akute in vivo - Einstellungen in erster Linie verwendet. Haut hat den Vorteil, eine dünne Struktur ist. Auch wenn es aus mehreren Schichten besteht, sind die Dermis weitgehend verantwortlich für die mechanischen Eigenschaften des Gewebes und damit die Oberflächenverformung ist von vorrangiger Bedeutung 20; angemessenen kinematischen Annahmen können 21, 22 in Bezug auf die aus der Ebene Verformung erfolgen. Außerdem wird die Haut bereits an die äußeren Umgebung ausgesetzt, es möglich zu verwenden herkömmliche Imaging-Tools machte seine Geometrie zu erfassen. Here schlagen wir die Verwendung von MVS als kostengünstige und flexible Ansatz zur in vivo Verformungen der Haut über mehrere Wochen zu überwachen , ohne majorly mit einem Gewebeexpansion Protokoll zu stören. MVS ist eine Technik , die 3D - Darstellungen von Objekten oder Szenen aus einer Sammlung von 2D - Bildern mit unbekannter Kamera extrahiert Winkel 23. Erst in den letzten drei Jahren haben mehrere kommerzielle Codes erschienen (Liste der Materialien für siehe Beispiele). Die hohe Genauigkeit der Modellrekonstruktion mit MVS, mit Fehlern so niedrig wie 2% 24, macht diesen Ansatz geeignet für die kinematische Charakterisierung der Haut in vivo über längere Zeiträume. Um die entsprechende Verformung Karten von Haut während der Gewebeexpansion, Punkte zwischen zwei beliebigen geometrischen Konfigurationen angepasst zu erhalten. Herkömmlicherweise werden in der Biomechanik computational Forscher Finite-Elemente-Netze und inverse Analyse verwendet, um die Verformung der Karte abrufen25, 26. Der IGA Ansatz hier verwendet wird, verwendet Spline - Basisfunktionen , die mehrere Vorteile für die Analyse von dünnen Membranen 27, 28 bieten. Und zwar ermöglicht die Verfügbarkeit von hohen Grad Polynomen Repräsentationen von glatten Geometrien auch bei sehr groben Maschen 29, 30. Darüber hinaus ist es möglich, die gleiche zugrunde liegende Parametrisierung an alle Oberflächenstücke zu passen, was die Notwendigkeit für ein inverses Problem für nicht passende Diskretisierungen zu berücksichtigen umgeht. Das hier beschriebene Verfahren eröffnet neue Wege Haut Mechanik in relevanten in vivo - Einstellungen über lange Zeiträume zu studieren. Darüber hinaus sind wir zuversichtlich, dass unsere Methodik ist ein förderlicher Schritt in Richtung Endziel der Computational Tools für personalisierte Behandlungsplanung im klinischen Umfeld zu entwickeln. &lt;/ P&gt;

<table><tbody><tr><td>Yucatan Miniaturschwein</td><td>Sinclair Bioresources, Windham, ME</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Antibiotika</td><td>Santa Cruz Animal Health, Paso Robles, CA</td><td>sc-362931Rx</td><td>Ceftiofur, Dosierung 5 mg/kg intramuskuläre</td></tr><tr><td>chirurgische Seife auf Chlorhexidin-Basis</td><td>Cardinal Health, Dublin, OH</td><td>AS-4CHGL(4-32)</td><td>4% Chlorhexidingluconat chirurgisches Handpeeling</td></tr><tr><td>Tattoo-Transfermedium&nbsp;</td><td>Hildbrandt Tattoo Supply, Point Roberts, WA</td><td>TRANSF</td><td>Schablone thermisches Tattoo-Transferpapier</td></tr><tr><td>Lidocain mit Adrenalin</td><td>ACE Surgical Supply Co, Brockton, MA</td><td>001-1423</td><td>Lidocain Hcl 1% (Xylocain) - Epinephrin 1:100.000, 20 mL</td></tr><tr><td>Buprenorphin</td><td>ZooPharm, Windsor, CO</td><td></td><td>1 mg/mL verzögerte Freisetzung, Dosierung 0,01 mg/kg intramuskulär</td></tr><tr><td>Digitalkamera</td><td>Sony</td><td>Alpha33</td><td>Standard Digitalkamera mit 18 - 35&nbsp; mm-Objektiv, 3,5 - 5,6 Blende. Verwendung im Automatikmodus, kein Blitz</td></tr><tr><td>Maßband</td><td>Medline, Mundelein, Illinois</td><td>NON171330</td><td>Einziehbares Maßband, Stoff, Kunststoffgehäuse, 72 Zoll</td></tr><tr><td>Gewebeexpander</td><td>PMT, Chanhassen, MN</td><td>03610-06-02</td><td>4 cm x 6 cm, rechteckig, 120 cc, Serie 3610 2-stufiger Gewebeexpander mit Standardanschluss</td></tr><tr><td>ReCap360</td><td>Autodesk</td><td>N/A</td><td>MVS Software, Webanwendung: recap360.autodesk.com</td></tr><tr><td>Blender</td><td>Blender Foundation</td><td>N/A</td><td>Computer Graphics Software, Open Source: blender.org</td></tr><tr><td>SISL</td><td>SINTEF</td><td>N/A</td><td>C++ Spline Libraries, Open Source: https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/</td></tr></tbody></table>

die quantifizierung des stammes in einem schweinemodell von haut expansion mit multi-view stereo und isogeometrische kinematics

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

Die Gewebeexpansion ist eine beliebte Technik in der plastischen und rekonstruktiven Chirurgie, bei der Haut in vivo zur Korrektur großer Defekte wie Verbrennungen und riesiger angeborener Nävi gezüchtet wird. Trotz seiner weit verbreiteten Verwendung ist die Planung und Durchführung eines Expansionsprotokolls eine Herausforderung, da es schwierig ist, die Verformung zu messen, die bei jedem Aufblasschritt und über die Dauer des Verfahrens auferlegt wird. Die Quantifizierung der Verformungsfelder ist von entscheidender Bedeutung, da die Verteilung der Dehnung über die Zeit die Geschwindigkeit und Menge des Hautwachstums am Ende der Behandlung bestimmt. In diesem Manuskript stellen wir eine Methode zur Untersuchung der Gewebeausdehnung vor, um quantitative Kenntnisse über die Verformungen zu gewinnen, die während eines Expansionsprozesses induziert werden. Dieses experimentelle Protokoll umfasst eine Stereo- und isogeometrische kinematische Multi-View-Analyse in einem Schweinemodell der Gewebeexpansion. Multi-View-Stereo ermöglicht die dreidimensionale geometrische Rekonstruktion aus unkalibrierten Bildsequenzen. Bei der isogeometrischen kinematischen Analyse werden Splines verwendet, um die regionalen Verformungen zwischen glatten Oberflächen mit wenigen Netzpunkten zu beschreiben. Unser Protokoll hat das Potenzial, die Lücke zwischen grundlegenden wissenschaftlichen Untersuchungen zur Mechanik der Hautexpansion und dem klinischen Umfeld zu schließen. Wir gehen davon aus, dass die mit unserer Methodik gewonnenen Erkenntnisse letztendlich eine personalisierte Behandlungsplanung mit Hilfe von computergestützten Simulationen der Hautverformung ermöglichen werden.

Diese Methode wurde erfolgreich eingesetzt , um die Verformung durch unterschiedliche Geometrien Expander induzierte zu studieren: Rechteck, Kugel und Crescent Expander 31, 32. Die Ergebnisse entsprechen die Kugel und Crescent Expander werden als nächstes diskutiert. Figur 2 zeigt die drei Schritte von MVS Modellrekonstruktion. Der Ausgangspunkt ist eine Sammlung von Fotografien aus einer statischen Szene. Das Ti...

Dieses Protokoll verwendet Multi-View-Stereo dreidimensionale (3D) Modelle aus unkalibrierten Sequenzen von Fotografien zu erzeugen, ist es erschwinglich und einstellbar auf eine chirurgische Einstellung vornehmen. Dehnungs Karten zwischen den 3D-Modelle sind mit Spline-basierte Isogeometrische Kinematik quantifiziert, die sich über die gleiche Parametrisierung teilen grobe Maschen Darstellung glatten Oberflächen erleichtern.

Die Quantifizierung des Stammes in einem Schweinemodell von Haut Expansion Mit Multi-View Stereo und Isogeometrische Kinematics

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 ...

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments besteht darin, Dehnungsverteilungen der Haut während der Gewebeexpansion mithilfe der isogeometrischen Analyse und der Multiview-Stereo-Technik zu quantifizieren. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der rekonstruktiven Chirurgie mittels Gewebeexpansion zu beantworten, beispielsweise die Bestimmung regionaler Deformationen, die durch unterschiedliche Formen, Größen und Aufblasraten der Expander hervorgerufen werden. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie auf rechnergestützter Analyse und flexiblen 3D-Bildgebungsverfahren basiert.Daher kann es im Operationssaal eingesetzt werden, ohne den routinemäßigen Ablauf zu verändern. Die Bedeutung dieser Technik reicht bis in die Therapie hinein, da sie leicht in den klinischen Alltag übertragen werden kann, um Deformationskarten der Haut von Patienten zu überwachen, die einer Gewebeexpansion unterzogen werden. Beginnen Sie damit, ein Yucatan-Minischwein für die Operation vorzubereiten und zu narkotisieren, indem Sie die dorsale Haut mit einem Rasierer rasieren.Entfernen Sie restliches Haar mit Klebeband und wischen Sie die Haut gründlich mit Isopropylalkohol ab, um Ver

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

Stent-induzierte arterielle Dehnungsverteilungen sind gekennzeichnet mit einer optischen Oberfläche Dehnungsmessung System. Diese Visualisierung Technik wird verwendet, um Einblicke in die Auswirkungen der Stentimplantation auf dem Host-Schiff zu gewinnen.

Die Überwachung der Wand Mechanik Während der Entfaltung des Stents in einem Gefäß

Zeitraffermikroskopie und Bildverarbeitungstechniken wurden eingesetzt, um die fibroblast-vermittelte Gelverdichtung und Die Fibrinfaser-Neuausrichtung in einem umweltkontrollierten Bioreaktor über einen Zeitraum von 48 Stunden zu beobachten und zu analysieren.

Beobachtung und Quantifizierung von Fibroblasten-vermittelter Fibrin-Gelverdichtung

Wir beschreiben die Verwendung digitaler Bildkorrelation zur Charakterisierung des lokalen Oberflächendehnungsfeldes auf vaskulären Gewebeproben, die einem einachsigen Zugversuch unterzogen wurden. Diese Messungen ermöglichen eine präzise Quantifizierung der mechanischen Reaktion der Probe und die Generierung konstitutiver Spannungs-Dehnungs-Beziehungen.

Verwenden von Bildkorrelation Lokale Stämme auf Gefäßgewebeproben zu charakterisieren

Die vorgestellte Methode beinhaltet das einachsige Dehnen von 3D-Weichhydrogelen, die in Silikonkautschuk eingebettet sind, während eine konfokale Live-Mikroskopie ermöglicht wird. Die Charakterisierung der externen und internen Hydrogelstämme sowie die Faserausrichtung werden demonstriert. Das entwickelte Gerät und Protokoll kann die Reaktion von Zellen auf verschiedene Belastungsregime beurteilen.

Kontrollierte Dehnung von 3D-Hydrogelen unter Live-Mikroskopie-Bildgebung

Die duale Durchleuchtung erfasst in vivo die dynamische Bewegung menschlicher Gelenke genau, die relativ zur rekonstruierten Anatomie (z. B. Arthrokinematik) visualisiert werden kann. Hier wird ein detailliertes Protokoll zur Quantifizierung der Hüftarthrokinematik während der belastenden Aktivitäten des täglichen Lebens vorgestellt, einschließlich der Integration der dualen Durchleuchtung mit der traditionellen Hautmarkerbewegungserfassung.

Im lebenden Organismus Quantifizierung der Hüftarthrokinematik bei dynamischen tragenden Aktivitäten mittels Dual-Fluoroskopie

In diesem Artikel wird ein Open-Source-Algorithmus zur digitalen Bildkorrelationsalgorithmus zur Messung lokaler 2D-Gewebestämme in Sehnenexplantaten beschrieben. Die Genauigkeit der Technik wurde mit mehreren Techniken validiert und steht der Öffentlichkeit zur Verfügung.

Messung lokaler Gewebebelastungen in Sehnen mittels digitaler Open-Source-Bildkorrelation

Dieses Protokoll stellt ein standardisiertes Nahtexpansions-Mausmodell und eine 3D-Visualisierungsmethode vor, um die mechanobiologischen Veränderungen der Naht und des Knochenumbaus unter Zugkraftbelastung zu untersuchen.

Eine 3D-Visualisierungstechnik für den Knochenumbau in einem Nahtexpansions-Mausmodell

Dieses Protokoll implementiert ein Stereo-Imaging-Kamerasystem, das mittels direkter linearer Transformation kalibriert wurde, um dreidimensionale in-situ-Verschiebungen von gedehnten peripheren Nerven zu erfassen. Durch das Erfassen dieser Verschiebungen kann die bei unterschiedlichen Dehnungsgraden induzierte Dehnung bestimmt werden, die die Schwellen für Dehnungsverletzungen informiert, die die Wissenschaft der dehnungsabhängigen Nervenreparatur voranbringen können.

Direkte lineare Transformation zur Messung der in-situ peripheren Nervendehnung während der Dehnung

Hier präsentieren wir ein vielseitiges äquibiaxiales Streckgerät, das pneumatisch betätigt wird und mit der hochauflösenden Mikroskopie kompatibel ist.

Äquibiaxiales Stretching-Gerät für die konfokale Fluoreszenzmikroskopie mit lebenden Zellen mit hoher Vergrößerung

Vaskularisierung ist der Schlüssel zur erfolgreichen Ansätze in der Gewebezüchtung. Daher werden sichere Technologien erforderlich, um die Entwicklung von Gefäßnetze im Gewebekonstrukte bewerten. Hier präsentieren wir Ihnen eine einfache und kostengünstige Methode zur Visualisierung und Quantifizierung Vaskularisierung in vivo.

Ein Vollhautdefekt Modell zur Vaskularisierung von Biomaterialien Bewerten<em&gt; In Vivo</em

Erfahren Sie die Quantifizierung von Hautdehnung mit isogeometrischer Analyse und Multi-View-Stereo im Schweinemodell. Diese Methode ermöglicht die Kartierung regionaler Deformationen für die rekonstruktive Chirurgie.

Die Quantifizierung des Stammes in einem Schweinemodell von Haut Expansion Mit Multi-View Stereo und Isogeometrische Kinematics

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