このプロトコルは、手頃な価格で、外科的設定に調整可能な製造、写真の未較正配列のうちの3次元(3D)モデルを生成する多視点ステレオを使用します。 3Dモデルとの間の歪みマップは、同じパラメータを共有粗いメッシュ上に滑らかな表面の表現を容易にするスプラインベースisogeometric運動で定量化されます。
方法論記事
このプロトコルは、手頃な価格で、外科的設定に調整可能な製造、写真の未較正配列のうちの3次元(3D)モデルを生成する多視点ステレオを使用します。 3Dモデルとの間の歪みマップは、同じパラメータを共有粗いメッシュ上に滑らかな表面の表現を容易にするスプラインベースisogeometric運動で定量化されます。
組織拡張は、熱傷や巨大な先天性母斑などの大きな欠陥を矯正するために生体内で皮膚を成長させる形成外科および再建手術の一般的な技術です。拡張プロトコルは広く使用されているにもかかわらず、各インフレーションステップで、手順の長さにわたって加えられる変形を測定するのが難しいため、計画と実行は困難です。変形場の定量化は、時間の経過に伴う伸縮性の分布が治療終了時の皮膚の成長速度と量を決定するため、非常に重要です。この原稿では、拡大プロセス中に誘発される変形の定量的な知識を得るために、組織の拡大を研究する方法を紹介します。この実験プロトコルは、組織拡張のブタモデルにマルチビューステレオおよびアイソジオメトリックキネマティック解析を組み込んでいます。マルチビューステレオは、キャリブレーションされていない画像のシーケンスから3次元の幾何学的再構成を可能にします。アイソジオメトリック運動学解析では、スプラインを使用して、メッシュポイントの少ない滑らかなサーフェス間の局所的な変形を記述します。私たちのプロトコルは、皮膚拡張のメカニズムに関する基本的な科学的調査と臨床現場との間のギャップを埋める可能性を秘めています。最終的には、私たちの方法論で得られた知見により、皮膚変形の計算シミュレーションを用いた治療計画をパーソナライズできると期待しています。
組織拡張は、大きな皮膚欠陥1の補正のためにin vivoで皮膚を成長プラスチックおよび再建手術における一般的な技術です。ノイマンは、1957年に、この手順を文書化する最初の外科医でした。彼は患者の皮膚の下にバルーンを移植し、新たな組織を成長させ、耳2を再浮上するために数週間の期間をかけて徐々にそれを膨らませます。皮膚、ほとんどの生物学的組織のように、機械的恒常性に到達するために加えられた力と変形に適応します。生理的な政権を超えて伸ばしたとき、皮膚は3、4を成長します。組織膨張の中心の利点の一つは、周辺組織5として適切な血管新生と同じヘアベアリング、機械的特性、色、およびテクスチャと皮膚の製造です。
60年前、その導入後、皮膚expansionが広くプラスチックおよび再建外科医によって採用されており、現在火傷を補正するために使用される、大先天性欠損、および乳房切除6後の乳房再建、7。しかし、その広範な使用にもかかわらず、皮膚の拡張手順は合併症8につながることができます。これは、一部の手順の基本的なメカノを理解し、術前計画9、10中に外科医を誘導するために必要な十分な定量的な証拠が不足しているためです。この技術における重要なパラメータは、インフレあたりの体積、膨張機の形状及びサイズの選択、デバイス11,12の配置を充填、充填率です。現在の術前計画は、多くの場合、greatlを異なる任意のプロトコルの多種多様で、その結果、医師の経験に大きく依存していますY 13、14、15。
現在の知識のギャップに対処するために、我々は、組織拡張のブタ動物モデルにおいて膨張による変形を定量化するための実験プロトコルを提示します。プロトコルは、未知のカメラ位置で2次元(2D)画像のシーケンスから3次元(3D)ジオメトリを再構成するマルチビューステレオ(MVS)の使用に依存しています。スプライン用い、滑らかな表面の表現はisogeometric(IGA)の記述によって、対応する変形マップの計算につながります。幾何学の分析は、明示的パラメータ16を有する膜の連続体力学の理論的枠組みに基づいています。
長期間にわたって生活の物質の生理的に関連する変形を特徴づけることはまだ困難な問題が残っています。以下のための共通の戦略生体組織のイメージングは、立体デジタル画像相関、反射性マーカーを有する市販のモーションキャプチャシステム、及び複葉ビデオ透視17、18、19を含みます。しかし、これらの技術は、制限的実験を必要とし、一般的に高価であり、主にex vivoでまたはin vivoの設定で 、急性のために使用されています。皮膚が薄い構造であるという利点を有しています。それはいくつかの層から成っていても、真皮は、組織の機械的特性の大きな原因であり、したがって表面の変形が最も重要20です。合理的な運動学的な仮定は、平面変形21、22のうちについて行うことができます。また、皮膚はすでにそれは可能そのジオメトリをキャプチャするために、従来のイメージングツールを使用すること、外部環境にさらされています。 HERE我々は、組織拡張プロトコルにすぎなかっ干渉することなく、数週間にわたって皮膚のin vivoでの変形を監視するための手頃な価格で柔軟なアプローチとしてMVSの使用を提案しています。 MVSは、23角未知のカメラで2D画像の集合からオブジェクトまたはシーンの3次元表現を抽出する手法です。唯一の最後の3年間で、いくつかの商用コードが(例のための材料のリストを参照)登場しています。 MVSとモデル再構築の高い精度は、2%の24と低いエラーで、長期間にわたって、インビボでの皮膚の動特性解析のために、このアプローチが適したものとなります。
組織拡張中に皮膚の対応する変形マップを得るために、任意の二つの幾何学的構成との間の点が一致しています。従来、計算生体力学の研究者は、変形マップを取得するために、有限要素メッシュと逆解析を使用していました25、26。ここで使用IGAアプローチは、薄い膜27、28の分析のためにいくつかの利点を提供スプライン基底関数を使用します。すなわち、高次多項式の利用可能性は、非常に粗いメッシュ29、30と滑らかな幾何学的形状の表現を容易にします。さらに、一致しない離散化を考慮して逆問題の必要性を回避するすべての表面パッチに同じ基礎パラメータをフィットさせることができます。
ここで説明する方法は、長期間にわたって生体内の設定に関連して、皮膚の力学を研究するための新しい道を開きます。また、我々は我々の方法論は、臨床現場でパーソナライズされた治療計画のための計算ツールを開発するという究極の目標に向けた有効なステップであることを期待しています。
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このプロトコルは、動物実験を必要とします。プロトコルは、動物の人道的な治療を保証するために、アンとシカゴ研究センター動物実験委員会のロバート・H・ルーリー小児病院のIRBによって承認されました。このプロトコルを使用して2つの拡張研究の結果は、他の場所で16、31公開されています。
このプロトコルの実行は、補完的な専門知識を持つチームが必要です。プロトコルの最初の部分は、適切な医療訓練を受けた人員を必要とする、動物モデルに外科的処置を記載しています。その後の分析、特にセクション4及び5は、基本的なコンピュータプログラミングC ++とPythonのスキル、およびコマンドライン・シェルの使用を含みます。
パンダの配置のための1の外科的処置
注:操作に関与人事は、スクラブ、滅菌方法でgownedする必要があります。 Steril電子タオルやカーテンは、無菌性を維持するために、手術野の周囲に適用されます。すべての楽器、縫合糸、および組織拡張器は、無菌包装で受信のみ無菌担当者によって処理されます。手続きが完了するまで、手術部位の無菌性は、これを侵してはなりません。
2.インフレプロトコル
注:各エクスパンダに用いられる溶液のinflationsと量のタイミングが検討されて特定の質問に依存します。別エキスパンダージオメトリの効果を特徴づけるために、適切なプロトコルは、それぞれ50、75、105、165、225 CCの充填容量を達成するために、0、2、7、10、および15日目に5つの膨張ステップを実行することです。
3.マルチビューステレオ復興
4.スプラインサーフェスフィット
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矩形、球及び三日月パンダ31、32:この方法は、正常別エキスパンダージオメトリによる変形を研究するために使用されてきました。球と三日月パンダに対応する結果が次に説明されます。 図2は、MVSモデル再構築の3つのステップを示しています。出発点は、静的なシーンからの写真のコレクションです。写真は様々な角度から撮影したよう入れ墨グリッドと巻尺を持つ動物は、まだ横たわっていました。 MVSアルゴリズムは、3D座標を抽出するために、写真間の特徴と一致しました。その結果、テクスチャ付き三角形メッシュからなる形状モデルを生成しました。
ここで説明するプロトコルは、組織拡張プロセスのさまざまな側面を研究するために使用することができます。バリエーションそれが成長した皮膚の量の地域差につながるので、球と三日月パンダによって...
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ここでは、マルチビューステレオ(MVS)とisogeometric運動(IGAキネマティクス)を用いて、ブタモデルにおける組織拡張手順の間に誘起される変形を特徴づけるためのプロトコルを提示します。組織拡張の間、皮膚はドーム状の立体形状に滑らかで比較的平坦な表面から行く大きな変形を受けます。皮膚は、他の生体膜34のように、その後、再建の目的35のために使用することができる領域に増加し、新しい材料を製造することにより、ストレッチに応答します。したがって、膨張機によって生成されるストレッチの正確決意は、皮膚の適応を制御するメカニズムを理解することが重要です。展開手順の計画、組織エキスパンダは異なるサイズおよび形状で来るので、伸縮分布全体拡張領域にわたって均一ではない挑戦であり、それはインフレーション11の位置及び速度に依存しますREF "> 36。正確に膨張による変形を推定し、大型株、3D形状、および地域のバリエーションを解決できる、皮膚の伸びの機械的...
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STheの著者は、開示することは何もありません。
この作業は、NIHの助成金1R21EB021590-01A1によってアルン・ゴサインとエレン・クールに支援されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ユカタンミニチュア豚 | シンクレアバイオリソース、ウィンダム、メイン州 | N / A | |
| 抗生物質 | サンタクルーズアニマルヘルス、パソロブレス、CA | sc-362931Rx | セフチオファー、投与量5mg / kg筋肉内 |
| クロルヘキシジンベースの外科用石鹸 | カーディナルヘルス、ダブリン、オハイオ州 | AS-4CHGL(4-32) | 4%グルコン酸クロルヘキシジン外科用ハンドスクラブ |
| タトゥー転写媒体 | ヒルドブラントタトゥーサプライ、ポイントロバーツ、WA | TRANSF | ステンシルサーマルタトゥー転写紙 |
| ドカインとエピネフリン | ACEサージカルサプライ株式会社、ブロックトン、マサチューセッツ | 001-1423 | ドカインHCL1%(キシロカイン) - エピネフリン1:100,000、20mL |
| ブプレノルフィン | ZooPharm、ウィンザー、CO | 1 mg / mL徐放性、投与量0.01mg / kg筋肉内 | |
| デジタルカメラ | ソニーAlpha33 | 18 - 35の標準デジタルカメラ mmレンズ、3.5 - 5.6絞り。自動モードで使用、フラッシュなし | |
| 巻尺 | Medline, Mundelein, Illinois | NON171330 | 格納式巻尺, 布, プラスチックケース, 72 インチ |
| ティッシュエキスパンダー | PMT, Chanhassen, MN | 03610-06-02 | 4 cm x 6 cm, 長方形, 120 cc, 3610 シリーズ 標準ポート付き 2 段ティッシュエキスパンダー |
| ReCap360 | Autodesk | N/A | MVS ソフトウェア, Web アプリケーション: recap360.autodesk.com |
| Blender | Blender Foundation | N/A | Computer Graphics Software, オープンソース: blender.org |
| SISL | SINTEF | N/A | C++ SPLINE libraries, オープンソース: https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/ |
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