Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-16T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 14 s
Description: 学ぶ マルチビューステレオとIsogeometric運動学を用いた皮膚ひずみ定量化法。ブタモデルで組織拡張時の変形を解析し、再建外科の臨床応用に向けたリアルタイムモニタリング技術を確立する。

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<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>
<li>Neumann, C. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+expansion+of+an+area+of+skin+by+progressive+distention+of+a+subcutaneous+balloon%3A+Use+of+the+Method+for+Securing+Skin+for+Subtotal+Reconstruction+of+the+Ear%5BTitle%5D)+AND+%22Plast+Reconstr+Surg%22%5BJournal%5D)">The expansion of an area of skin by progressive distention of a subcutaneous balloon: Use of the Method for Securing Skin for Subtotal Reconstruction of the Ear.</a> Plast Reconstr Surg. 19, 124-130 (1957).</li>
<li>De Filippo, R. E., Atala, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stretch+and+growth%3A+the+molecular+and+physiologic+influences+of+tissue+expansion%5BTitle%5D)+AND+%22Plast+Reconstr+Surg%22%5BJournal%5D)">Stretch and growth: the molecular and physiologic influences of tissue expansion.</a> Plast Reconstr Surg. 109, 2450-2462 (2002).</li>
<li>Buganza Tepole, A., Joseph Ploch, C., Wong, J., Gosain, A. K., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growing+skin%3A+A+computational+model+for+skin+expansion+in+reconstructive+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mech+Phys+Solids%22%5BJournal%5D)">Growing skin: A computational model for skin expansion in reconstructive surgery.</a> J Mech Phys Solids. 59, 2177-2190 (2011).</li>
<li>LoGiudice, J., Gosain, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pediatric+Tissue+Expansion%3A+Indications+and+Complications%5BTitle%5D)+AND+%22J+Craniofac+Surg%22%5BJournal%5D)">Pediatric Tissue Expansion: Indications and Complications.</a> J Craniofac Surg. 14, 866-866 (2003).</li>
<li>Rivera, R., LoGiudice, J., Gosain, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tissue+expansion+in+pediatric+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Clin+Plast+Surg%22%5BJournal%5D)">Tissue expansion in pediatric patients.</a> Clin Plast Surg. 32, 35-44 (2005).</li>
<li>Marcus, J., Horan, D. B., Robinson, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tissue+expansion%3A+Past%2C+present%2C+and+future%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Acad+Dermatol%22%5BJournal%5D)">Tissue expansion: Past, present, and future.</a> J Am Acad Dermatol. 23, 813-825 (1990).</li>
<li>Patel, P. A., Elhadi, H. M., Kitzmiller, W. J., Billmire, D. A., Yakuboff, K. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tissue+expander+complications+in+the+pediatric+burn+patient%3A+a+10-year+follow-up%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Plast+Surg%22%5BJournal%5D)">Tissue expander complications in the pediatric burn patient: a 10-year follow-up.</a> Ann Plast Surg. 72, 150-154 (2014).</li>
<li>Pietramaggiori, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tensile+Forces+Stimulate+Vascular+Remodeling+and+Epidermal+Cell+Proliferation+in+Living+Skin%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Surg%22%5BJournal%5D)">Tensile Forces Stimulate Vascular Remodeling and Epidermal Cell Proliferation in Living Skin.</a> Ann Surg. 246, 896-902 (2007).</li>
<li>Khalatbari, B., Bakhshaeekia, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ten-year+experience+in+face+and+neck+unit+reconstruction+using+tissue+expanders%5BTitle%5D)+AND+%22Burns%22%5BJournal%5D)">Ten-year experience in face and neck unit reconstruction using tissue expanders.</a> Burns. 39, 522-527 (2013).</li>
<li>Brobmann, F. F., Huber, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+different-shaped+tissue+expanders+on+transluminal+pressure%2C+oxygen+tension%2C+histopathologic+changes%2C+and+skin+expansion+in+pigs%5BTitle%5D)+AND+%22Plast+Reconstr+Surg%22%5BJournal%5D)">Effects of different-shaped tissue expanders on transluminal pressure, oxygen tension, histopathologic changes, and skin expansion in pigs.</a> Plast Reconstr Surg. 76, 731-736 (1985).</li>
<li>van Rappard, J. H., Molenaar, J., van Doorn, K., Sonneveld, G. J., Borghouts, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface-area+increase+in+tissue+expansion%5BTitle%5D)+AND+%22Plast+Reconstr+Surg%22%5BJournal%5D)">Surface-area increase in tissue expansion.</a> Plast Reconstr Surg. 82, 833-839 (1988).</li>
<li>Pusic, A. L., Cordeiro, P. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+accelerated+approach+to+tissue+expansion+for+breast+reconstruction%3A+experience+with+intraoperative+and+rapid+postoperative+expansion+in+370+reconstructions%5BTitle%5D)+AND+%22Plast+Reconstr+Surg%22%5BJournal%5D)">An accelerated approach to tissue expansion for breast reconstruction: experience with intraoperative and rapid postoperative expansion in 370 reconstructions.</a> Plast Reconstr Surg. 111, 1871-1875 (2003).</li>
<li>Schneider, M. S., Wyatt, D. B., Konvolinka, C. W., Hassanein, K. M., Hiebert, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+Rapid+Versus+Slow+Tissue+Expansion+on+Skin-Flap+Viability%5BTitle%5D)+AND+%22Plast+Reconstr+Surg%22%5BJournal%5D)">Comparison of Rapid Versus Slow Tissue Expansion on Skin-Flap Viability.</a> Plast Reconstr Surg. 92, 1126-1132 (1993).</li>
<li>Schmidt, S. C., Logan, S. E., Hayden, J. M., Ahn, S. T., Mustoe, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+versus+conventional+tissue+expansion%3A+experimental+verification+of+a+new+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Plast+Reconstr+Surg%22%5BJournal%5D)">Continuous versus conventional tissue expansion: experimental verification of a new technique.</a> Plast Reconstr Surg. 87, 10-15 (1991).</li>
<li>Buganza Tepole, A., Gart, M., Purnell, C. A., Gosain, A. K., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multi-view+stereo+analysis+reveals+anisotropy+of+prestrain%2C+deformation%2C+and+growth+in+living+skin%5BTitle%5D)+AND+%22Biomech+Model+Mechanobiol%22%5BJournal%5D)">Multi-view stereo analysis reveals anisotropy of prestrain, deformation, and growth in living skin.</a> Biomech Model Mechanobiol. 14, 1007-1019 (2015).</li>
<li>Tonge, T. K., Atlan, L. S., Voo, L. M., Nguyen, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Full-field+bulge+test+for+planar+anisotropic+tissues%3A+Part+I-Experimental+methods+applied+to+human+skin+tissue%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomater%22%5BJournal%5D)">Full-field bulge test for planar anisotropic tissues: Part I-Experimental methods applied to human skin tissue.</a> Acta Biomater. 9, 5913-5925 (2013).</li>
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<li>Rausch, M. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+dynamic+strains+of+the+ovine+anterior+mitral+valve+leaflet%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">In vivo dynamic strains of the ovine anterior mitral valve leaflet.</a> J Biomech. 44, 1149-1157 (2011).</li>
<li>Leyva-Mendivil, M. F., Page, A., Bressloff, N. W., Limbert, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+mechanistic+insight+into+the+mechanical+role+of+the+stratum+corneum+during+stretching+and+compression+of+the+skin%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mech+Behav+Biomed+Mater%22%5BJournal%5D)">A mechanistic insight into the mechanical role of the stratum corneum during stretching and compression of the skin.</a> J Mech Behav Biomed Mater. 49, 197-219 (2015).</li>
<li>Buganza Tepole, A., Kabaria, H., Bletzinger, K. -U., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isogeometric+Kirchhoff-Love+shell+formulations+for+biological+membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Methods+Appl+Mech+Eng%22%5BJournal%5D)">Isogeometric Kirchhoff-Love shell formulations for biological membranes.</a> Comput Methods Appl Mech Eng. 293, 328-347 (2015).</li>
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<li>Buganza Tepole, A., Gart, M., Gosain, A. K., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+living+skin+using+multi-view+stereo+and+isogeometric+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomater%22%5BJournal%5D)">Characterization of living skin using multi-view stereo and isogeometric analysis.</a> Acta Biomater. 10, 4822-4831 (2014).</li>
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<li>Kiendl, J., Bletzinger, K. U., Linhard, J., Wüchner, R. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/250693564_Isogeometric_shell_analysis_with_Kirchhoff-Love_elements">Isogeometric shell analysis with Kirchhoff-Love elements.</a> Comput Methods Appl Mech Eng. 198, 3902-3914 (2009).</li>
<li>Changchang, W. VisualSFM: A Visual Structure from Motion System. , Available from: 
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</ol>

STheの著者は、開示することは何もありません。

<html>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 &quot;&gt; 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...

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。&lt;/ P&gt;

<table><tbody><tr><td>ユカタンミニチュア豚</td><td>シンクレアバイオリソース、ウィンダム、メイン州</td><td>N / A</td><td></td></tr><tr><td>抗生物質</td><td>サンタクルーズアニマルヘルス、パソロブレス、CA</td><td>sc-362931Rx</td><td>セフチオファー、投与量5mg / kg筋肉内</td></tr><tr><td>クロルヘキシジンベースの外科用石鹸</td><td>カーディナルヘルス、ダブリン、オハイオ州</td><td>AS-4CHGL(4-32)</td><td>4%グルコン酸クロルヘキシジン外科用ハンドスクラブ</td></tr><tr><td>タトゥー転写媒体&nbsp;</td><td>ヒルドブラントタトゥーサプライ、ポイントロバーツ、WA</td><td>TRANSF</td><td>ステンシルサーマルタトゥー転写紙</td></tr>リ<tr><td>ドカインとエピネフリン</td><td>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</td>州<td>001-1423</td>リ<td>ドカインHCL1%(キシロカイン) - エピネフリン1:100,000、20mL</td></tr><tr><td>ブプレノルフィン</td><td>ZooPharm、ウィンザー、CO</td><td></td><td>1 mg / mL徐放性、投与量0.01mg / kg筋肉内</td></tr><tr><td>デジタルカメラ</td><td></td><td>ソニーAlpha33</td><td>18 - 35の標準デジタルカメラ&nbsp;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</td></tr><tr><td>巻尺</td><td>Medline, Mundelein, Illinois</td><td>NON171330</td><td>格納式巻尺, 布, プラスチックケース, 72 インチ</td></tr><tr><td>ティッシュエキスパンダー</td><td>PMT, Chanhassen, MN</td><td>03610-06-02</td><td>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</td></tr><tr><td>ReCap360</td><td>Autodesk</td><td>N/A</td><td>MVS ソフトウェア, Web アプリケーション: recap360.autodesk.com</td></tr><tr><td>Blender</td><td>Blender Foundation</td><td>N/A</td><td>Computer Graphics Software, オープンソース: blender.org</td></tr><tr><td>SISL</td><td>SINTEF</td><td>N/A</td><td>C++ SPLINE libraries, オープンソース: https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/</td></tr></tbody></table>

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

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

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。

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...

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。

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

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 ...

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。

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

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三次元ヒト皮膚は、モデルを再構築：ノーマルスキンとメラノーマ進行を勉強するツールを

学ぶ マルチビューステレオとIsogeometric運動学を用いた皮膚ひずみ定量化法。ブタモデルで組織拡張時の変形を解析し、再建外科の臨床応用に向けたリアルタイムモニタリング技術を確立する。

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