マルチビューステレオとIsogeometric運動学を用いた皮膚展開のブタモデルにおけるひずみの定量化

この実験の全体的な目標は、等幾何学的解析とマルチビューステレオを使用して、組織拡張中の皮膚のひずみマップを定量化することです。この方法は、さまざまなエキスパンダーの形状、サイズ、膨張率によって引き起こされる局所的な変形を決定するなど、組織拡張を伴う再建手術の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、計算解析と柔軟な3Dイメージング技術を使用することです。

したがって、日常的な手順を変更することなく、手術室で使用できます。この技術の意味は、組織拡張を受けているヒト患者の皮膚変形マップを監視するための臨床現場に簡単に変換できるため、治療にまで及びます。まず、手術のためにユカタンのミニブタを準備し、麻酔をかけます。

残った髪の毛をテープで取り除き、イソプロピルアルコールで肌をしっかり拭いて汚れを洗い流します。次に、動物の体の背側正中線を特定し、ペンを使用して4つのグリッドの背側境界をマークし、背側正中線から約2センチメートル離れて配置します。最初の前グリッドの位置を皮膚に印付けた後、3センチメートルの隙間を残し、後グリッドの位置をマークします。

最後に、マークされた前方と後方のグリッド位置が背側の正中線に対して対称であり、同じ尾上距離に配置されていることを確認します。グリッドの位置をマークしたら、10 cm x 10 センチメートルのグリッドの用紙テンプレートを準備します。これを行うには、ボールペンで線に繰り返し色を付けてグリッドの輪郭を強く描き、テンプレートをトリミングします。

次に、目的の皮膚領域をイソプロピル消毒用アルコールで完全に湿らせてグリッドトレースの転送を容易にし、余分なアルコールを風乾させてインクの漏れを防ぎます。準備したグリッドテンプレートの端をスキンのマーキングに合わせ、インク面を下にしてグリッドをスキンに適用し、グリッドテンプレートをスキンにそっと押し付けて、インクが完全に転写されるようにします。数秒後、グリッドをスキンからゆっくりと取り外し、グリッドトレースが適切に転送されたことを確認します。

入れ墨をする前に、インクの汚れを減らすためにグリッドトレースをワセリンで覆い、入れ墨装置を使用して、グリッドの線をタトゥーインクで覆います。最初のグリッドにタトゥーを入れたら、2番目のグリッドのトレースを動物の皮膚に移し、両方のグリッドが互いに3cm離れて配置されていることを確認します。2番目のグリッドに入れ墨した後、両方のグリッドが背側の正中線から2センチ外側にあることを確認します。

4つのグリッドに入れ墨をしたら、それらが背側の正中線から2センチ離れて配置され、もう一度3センチメートル離れていることを確認します。手術を開始するには、麻酔をかけたブタの皮膚に、2つのグリッドの中間点にある切開部位をマークし、次にエキスパンダーの所望の位置をマークして、入れ墨のあるグリッドの上部に配置されるようにします。外科用刃で皮膚を切開し、はさみを使用して、最初の切開部とエキスパンダーを配置する領域とを結ぶタイトな皮下トンネルを作成し、マークされたエキスパンダー配置部位内のポケットを鈍く解剖します。

次に、作成したトンネルを感染を防ぐために抗生物質溶液で洗い、エキスパンダーを皮下ポケットに挿入します。エキスパンダーが所定の位置に配置されたら、エキスパンダーポートの配置に使用される背側正中線に隣接する2つの切開部のサイトに印を付け、メスで切り込みを入れます。その後、尾側切開部から止血剤を挿入し、以前にエキスパンダーの配置に使用した切開部と接続する別の皮下トンネルを解剖し、エキスパンダーのチューブをつかんで尾側ポート切開部から引き出します。

2番目の切開部を使用して、インフレーションポートを配置するためにポケットを解剖し、ポートをポケットに挿入します。止血剤を使用して、2つのポート配置切開部を接続する別の皮下トンネルを作成し、ポートのチューブを止血器で押さえ、エキスパンダーチューブが配置されているのと同じ切開部から引き出します。両方のチューブをトリミングした後、金属製のアダプターを介して接続します。

チューブの周りを縫合して、アダプターの両側の接続を固定します。チューブシステムが皮下に配置されるように最初に作られた切開部からチューブを引っ張り、次に液体で満たされた50ミリリットルのシリンジに取り付けられた21ゲージの針を皮膚を通してエキスパンダーポートに導入し、プランジャーを引いてエキスパンダーから空気を取り除きます。すべての空気が取り除かれたら、エキスパンダーポートに約10ミリリットルの液体を注入して、適切に満たされることを確認します。

最後に、外科的縫合糸を適用して3つの切開部をすべて閉じ、次に、豚の体の反対側にある2つのグリッドの間の切開部位に印を付けて、第1のエキスパンダー配置部位に対して対角線上に第2のエキスパンダーを配置します。動物に麻酔をかけた後、外科用テープを使用してグリッドの間にプラスチック製の柔軟なテープメジャーを取り付け、動物を片側に置いてグリッドを写真に記録します。写真をさまざまな角度から撮影し、画像に焦点が合っており、背景ではなく主に関心のあるオブジェクトが含まれていることを確認することが重要です。

これにより、解析に不可欠な正確な3D形状の再構築が保証されます。まず、カメラを動物の上に置きますが、尾側に傾けて、タトゥーのグリッドが完全に見えてフレームを埋める地面とほぼ平行なショットを撮影し、次に動物の周りを尾側から吻側へのアーチ状に円形のパターンで移動し、途中で写真を撮り、常にすべてのタトゥーグリッドをフレームに収めます。 グリッドがフレームを埋め尽くします。次に、カメラを腹側に向けて地面とほぼ平行な撮影角度を撮影し、腹側から背側にかけてアーチ状に撮影します。

動物の両側を撮影した後、使用中のプロトコルに従ってインフレーションステップを実行します。まず、港の周りの動物の皮膚をイソプロピルアルコールで清潔にします。次に、0.9%注射可能な生理食塩水を注射器にセットし、25ゲージのバタフライニードルに取り付けます。

次に、針をポートに取り付け、生理食塩水をエキスパンダーに注入します。注入後、前と同じようにグリッドを再度写真に記録します。デジタル再構築を行うには、市販のソフトウェアを使用します。

このデモでは、MVS を使用します。左上隅にある写真を3Dに選択することから始めます。次に、[写真の追加]をクリックし、画像の場所を参照して、1つのモデルに対応する30枚の写真を手動で選択し、モデルに名前を付けて[作成]をクリックします。

モデルが作成されるまでに数分かかる場合があります。次に、右側のダッシュボードをクリックして戻り、ジオメトリックモデルの代表的な画像を表示します。解析用にモデルを保存するには、右下隅でモデルを選択し、[ダウンロード]をクリックして[obj]を選択します。

オープンソースソフトウェアを使用して、幾何学的モデルを処理します。MVSソフトウェアから生成されたファイルをインポートし、3Dビューの下部にあるビューポートシェーディングをクリックしてテクスチャを選択します。3Dビューの右側にあるタブを探し、シェーディングを含むサブメニューを探します。

シェーディングからシェーディングレスを選択し、ジオメトリを右クリックして選択し、3Dビューの下部で編集モードを選択して三角形メッシュを視覚化します。次に、1つずつ、右クリックしてポイントを強調表示して、グリッドのノードを選択します。ポイントの座標は、3Dビューの右側にあるタブに表示されます。

これらの座標を選択してコピーし、テキスト ファイルに貼り付けます。グリッドのすべてのポイントに対してこれを行い、121個の座標をすべて保存し、テキストプロトコルの指示に従って、このデータからの変形を最終的に定量化します。この方法論は、さまざまなエキスパンダー形状によって引き起こされる変形の研究に成功しています。

球体と三日月形のエキスパンダーによって誘発される地域ひずみの変動に注目しました。両方のデバイスは、すべての時点で同じ容量で充填されました。再構築されたスプライン曲面から、参照と変形した節点を使用して変形を計算しました。

ゼロ日目が参考とされました。次に、各インフレーションステップの終了をリファレンスコンフィギュレーションの結果とコンタープロットと比較し、面積変化の進行、シータ、および直交する2つの方向(ラムダ)のストレッチを分析しました。最終的に、等高線プロットの空間的な変化により、皮膚はエクスパンダーの周辺部よりも中央部でより引き伸ばされていることが明らかになりました。

興味深いことに、両方のエキスパンダーが同じ体積に充填されたにもかかわらず、球状のエキスパンダーを充填すると、三日月形のエキスパンダーを充填した場合に比べて大きな変形が引き起こされました。このビデオを見れば、マルチビューステレオおよびアイソジオメトリック解析を使用して皮膚の変形マップを定量化する方法について十分に理解できるはずです。この手順を試行する際は、プロセスのすべてのステップを巻尺で写真に記録し、分析中に形状をスケーリングできるようにすることが重要です。

この手順に続いて、組織生検、その後の組織化学分析、ゲノムシーケンシングなどの他の方法をすべて実行して、皮膚のストレッチに対する根本的な細胞応答に関する追加の質問に答えることができます。