Methodenartikel

Kwantificering van Strain in een varkensmodel van Skin Expansion Met behulp van Multi-View Stereo en Isogeometric Kinematica

DOI:

10.3791/55052

⸱

16 april 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Mechanical Engineering, Purdue University, 2Division of Plastic Surgery, Ann and Robert H. Lurie Children's Hospital of Chicago, Northwestern University Feinberg School of Medicine, 3Mechanical Engineering, Bioengineering, Cardiothoracic Surgery, Stanford University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit protocol maakt gebruik van multi-view stereo driedimensionale (3D) modellen van niet-gekalibreerde sequenties foto genereren, waardoor het betaalbaar en instelbaar is op een chirurgische omgeving. Stam kaarten tussen de 3D-modellen worden gekwantificeerd-spline gebaseerde isogeometric kinematica, waarin zowel gladde oppervlakken in grove mazen met dezelfde parametrisering vergemakkelijken.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Weefselexpansie is een populaire techniek in plastische en reconstructieve chirurgie die huid in vivo laat groeien voor de correctie van grote defecten zoals brandwonden en reusachtige congenitale naevi. Ondanks het wijdverbreide gebruik, is het plannen en uitvoeren van een expansieprotocol een uitdaging vanwege de moeilijkheid om de vervorming te meten die bij elke opblaasfase wordt opgelegd en gedurende de lengte van de procedure. Het kwantificeren van de vervormingsvelden is cruciaal, omdat de verdeling van de rek over tijd de snelheid en hoeveelheid huidgroei aan het einde van de behandeling bepaalt. In dit manuscript presenteren we een methode om weefselexpansie te bestuderen om kwantitatief kennis te verkrijgen over de vervormingen die tijdens een expansieproces worden geïnduceerd. Dit experimentele protocol bevat multi-view stereo en isogeometrische kinematische analyse in een varkensmodel van weefselexpansie. Multi-view stereo maakt driedimensionale geometrische reconstructie mogelijk vanuit ongekalibreerde sequenties van beelden. De isogeometrische kinematische analyse gebruikt splines om de regionale vervormingen tussen gladde oppervlakken met weinig meshpunten te beschrijven. Ons protocol heeft het potentieel om de kloof te overbruggen tussen fundamenteel wetenschappelijk onderzoek naar de mechanica van huidexpansie en de klinische omgeving. Uiteindelijk verwachten we dat de kennis die we met onze methodologie hebben verworven, zal zorgen voor behandelingsplanning met behulp van computationele simulaties van huiddeformatie op een gepersonaliseerde manier.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Weefselexpansie is veelvuldig toegepast in plastische en reconstructieve chirurgie die huid groeit in vivo voor het corrigeren van grote huiddefecten 1. Neumann, in 1957, was de eerste chirurg om deze procedure te documenteren. Hij geïmplanteerd een ballon onder de huid van een patiënt en opgeblazen geleidelijk over een periode van enkele weken tot nieuw weefsel groeien en weer de kop opsteken een oor 2. Huid, zoals de meeste biologische weefsels, past zich aan uitgeoefende krachten en vervormingen om mechanische homeostase te bereiken. Trekkracht dan de fysiologische regeling, huid groeit 3, 4. Een van de belangrijkste voordelen van weefseluitbreiding is de productie van huid met goede vascularisatie en hetzelfde haar lager, mechanische eigenschappen, kleur en patroon als het omringende weefsel 5.

Na de introductie zes decennia geleden, huid expansion is op grote schaal door plastische en reconstructieve chirurgen vastgesteld en wordt momenteel gebruikt om brandwonden, grote aangeboren afwijkingen en voor borstreconstructie na mastectomie 6, 7 corrigeren. Toch, ondanks het wijdverbreide gebruik, de huid procedures expansie kan leiden tot complicaties 8. Dit is deels te wijten aan het ontbreken van voldoende kwantitatieve gegevens die nodig zijn om de fundamentele Mechanobiologie van de procedure te begrijpen en om de chirurg te begeleiden tijdens de preoperatieve planning 9, 10. Sleutelparameters die bij deze techniek het vulgedeelte, vulvolume per opblazen, de keuze van de vorm en grootte van de uitbreiding en de plaatsing van de inrichting 11, 12. Huidige preoperatieve planning grotendeels op de ervaring van de arts, wat resulteert in een breed scala van willekeurige protocollen die verschillen vaak greatly 13, 14, 15.

De huidige kennishiaten te pakken, geven we een experimenteel protocol om uitzetting veroorzaakte deformatie te kwantificeren in een varkensmodel diermodel weefselexpansie. Het protocol is gebaseerd op het gebruik van multi-view stereo (MVS) om driedimensionale (3D) reconstructie geometrie van sequenties van tweedimensionale (2D) beelden met onbekende cameraposities. Gebruikmakend splines, weergave van gladde oppervlakken leidt tot het berekenen van de overeenkomstige vervorming kaarten via een isogeometric (IGA) Beschrijving. De analyse van de geometrie is gebaseerd op het theoretisch kader van continuümmechanica van membranen met een expliciete parametrisatie 16.

Karakteriseren van fysiologisch relevante vervormingen van levende materialen gedurende lange perioden van tijd nog steeds een uitdagend probleem. Gemeenschappelijke strategieën voorbeeldvorming van biologische weefsels omvatten stereoscopische digital image correlation, commerciële motion capture systemen met reflecterende markers en tweedekker video fluoroscopie 17, 18, 19. Echter, deze technieken vereisen een beperkende experimentele opstelling, zijn over het algemeen duur, en zijn voornamelijk gebruikt voor ex vivo of acute in vivo-instellingen. Huid heeft het voordeel dat een dunne structuur. Hoewel het uit meerdere lagen, de dermis is grotendeels verantwoordelijk voor de mechanische eigenschappen van het weefsel en daardoor het oppervlak vervormen van primair belang 20; kinematische redelijke veronderstellingen worden gemaakt over de deformatie buiten het vlak 21, 22. Bovendien wordt de huid reeds blootgesteld aan de buitenomgeving, waardoor het mogelijk conventionele beeldvormende instrumenten te gebruiken om de geometrie te vangen. Heer stellen we het gebruik van MVS als een betaalbare en flexibele benadering van in vivo vervormingen van de huid gedurende enkele weken volgen zonder majorly interfereren met weefselexpansie protocol. MVS is een techniek die 3D-voorstellingen van objecten of scènes uittreksels uit een collectie van 2D-beelden met onbekende camera angles 23. Pas in de laatste drie jaar hebben verschillende commerciële codes verscheen (zie de lijst van materialen voor voorbeelden). De hoge nauwkeurigheid van het model reconstructie met MVS, met fouten zo laag als 2% 24, maakt deze aanpak geschikt voor de kinematische karakterisering van de huid in vivo gedurende lange tijd.

De overeenkomstige vervorming kaarten huid tijdens weefselexpansie verkrijgen, worden punten tussen twee geometrische configuraties voldoen. Conventioneel, onderzoekers in computationele biomechanica hebben eindige elementen mazen en inverse analyse gebruikt om de vervorming kaart op te halen25, 26. De IGA benadering even werkzaam gebruikt spline basisfuncties deze is beter voor de analyse van dunne membranen 27, 28 bieden. Namelijk, de beschikbaarheid van hoge graad veeltermen vergemakkelijkt representaties van gladde geometrieën zelfs met zeer grof mazen 29, 30. Daarnaast is het mogelijk om dezelfde onderliggende parametrisering aanpassen aan alle oppervlakte patches, die de noodzaak van een inverse probleem om rekening te houden met niet-congruente discretisaties omzeilt de.

De hier beschreven methode opent nieuwe mogelijkheden voor de huid mechaniek in relevante in vivo instellingen gedurende lange tijd te bestuderen. Bovendien, we hebben goede hoop dat onze methodologie is een activerende stap op weg naar het uiteindelijke doel van het ontwikkelen van computationele instrumenten voor persoonlijke planning van de behandeling in de klinische setting.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit protocol omvat dierproeven. Het protocol werd goedgekeurd door de IRB van Ann en Robert H. Lurie Children's Hospital van Chicago Research Center Animal Care en gebruik Comite om humane behandeling van dieren te garanderen. De resultaten van beide compensatoren studies met dit protocol zijn elders gepubliceerd 16, 31.

Uitvoering van dit protocol vereist een team met complementaire expertise. Het eerste deel van het protocol beschrijft de chirurgische procedure op het diermodel, waarbij personeel met de juiste medische opleiding. De volgende analyse, in het bijzonder hoofdstukken 4 en 5, omvatten elementaire computer programmeren in C ++ en Python, en het gebruik van een command line shell.

1. Chirurgische Procedure voor Expander Placement

LET OP: Personeel betrokken bij de operatie moet worden geschrobd en gewaden in een steriele wijze. Sterile handdoeken en gordijnen worden toegepast rond de chirurgische veld om de steriliteit te behouden. Alle instrumenten, hechtingen en weefselexpanders worden ontvangen steriel verpakt en behandeld door steriele personeel. Steriliteit van de operatieve site mag niet worden overtreden totdat de procedure is voltooid.

  1. Acclimatiseren één maand oude mannelijke Yucatan mini varkens standaard behuizing voor een week, en voer ad libitum.
  2. Op de dag van de operatie, het verdoven dier via ketamine / acepromazine voor inductie (4-6 mg / kg), vervolgens isofluraan onderhoud. Evalueer de diepte van de anesthesie door het bewaken van de ooglidreflex. Ook bewaken vitale functies (hartslag, lichaamstemperatuur, ademhalingsfrequentie en / of reactie op knijpen door weefsel tang). Breng oogzalf om de ogen te beschermen tegen het hoornvlies schaafwonden.
  3. Dien pre-procedurele antibiotica en het reinigen van de dorsale huid met chloorhexidine gebaseerde chirurgische zeep. Transfer vier 10 x 10 cm2 netten, twee aan elke zijde van dedier, met 1 cm belijning op de varkenshuid behulp tatoeage overdrachtsmedium. De roosters overeen met de volgende vier gebieden: rostrale links, rechts rostrale, caudale linker en rechter caudale. Gebruik een sjabloon met een middellijn verwijzing naar de symmetrische plaatsing van de rasterpatronen waarborgen.
    1. Maak de roosters op papier door het traceren van het raster schetst zwaar met een balpen. Was de plek op het dier waarbij het rooster met isopropylalcohol worden geplaatst.
    2. Breng het rooster (pen inkt naar beneden) direct op de huid. De alcohol dient om een deel van de inkt uit bloedzuiger van het papier, het overdragen van de raster om de dierlijke huid.
  4. Injecteren plaatselijke verdoving (1% lidocaïne met 1: 100.000 epinefrine) subcutaan op de plaats van elke geplande incisie.
  5. Een insnijding aan weerszijden van het dier in het midden tussen de twee rasters.
    OPMERKING: De incisies worden aan de linker- en rechterzijde van het dier geplaatst tussen de 2 roostersdie kant. Er is een linker eenzijdig incisie en een rechter eenzijdige incisie
  6. Gebruik een hemostaat om een ​​subcutane tunnel onder het rooster van belang te ontwikkelen. Na het ontwikkelen van een tunnel, plaatst de zwelinrichting onder het rooster.
    Opmerking tunnels worden onder alle raster dat een weefseluitzetter zal geplaatst.
  7. Plaats de poort expander opblazen afstand via een subcutane tunnel ontwikkeld op een soortgelijke wijze langs de dorsale middellijn van het dier. Reparatie wonden door hechten.
  8. Postoperatief behandelen dier met profylactische antibiotica (Ceftiofur 5 mg / kg IM eenmaal) en analgetica (buprenorfine 0,05-0,1 mg / kg) via intramusculaire injectie elke 12 uur gedurende 4 weken met additionele doses vindt bewijs voor dieren leed.
  9. Observeer de dieren onafgebroken gedurende 2 uur na de operatie, met inbegrip van routinematige controle van de vitale functies, totdat ze ambulation hebben hervat en zijn in staat om normothermia handhaven. Huis van het dier in een aparte kooi en de monitor tot it kan zelfstandig lopen alle 4 poten vóór de overdracht naar de normale behuizing stippellijn u deze achterlaat.
  10. Naar aanleiding van de onmiddellijk na verdoving herstelperiode, controleren dieren dagelijks om wondgenezing te evalueren. Verwijder de hechtingen 14 dagen na de operatie. Deze insnijdingen niet dressings nodig. Laat de incisies te genezen voor 3-4 weken voor het begin van de uitbreiding

2. Inflatie Protocol

LET OP: De timing van de inflaties en de hoeveelheid oplossing die in elk expander is afhankelijk van de specifieke vraag wordt bestudeerd. Om het effect van verschillende geometrieën expander karakteriseren een geschikt protocol tot vijf inflatie stappen uit te voeren bij 0, 2, 7, 10, en 15 dagen om het vullen volumes 50, 75, 105, 165 en 225 cc respectievelijk bereiken.

  1. Vóór elke inflatie stap verdoven van het dier toedienen ketamine (4-6 mg / kg) en dexmedetomidine bij 20-80 gg / kg.
    OPMERKING: Dexmedetomidine is eenn alfa-adrenergische agonist die kan worden omgekeerd atipamezol (1: 1 volume: volume) sneller herstel te bevorderen; dit kan echter sedatieniveau ongeschikt zijn voor het dier expansie tolereren zonder onnodig risico voor beschadiging van het dier of hanteren. Als dit het geval is, het beheer van algemene anesthesie door het leveren van isofluraan via maskerventilatie volgende ketamine / acepromazine inductie.
  2. Bevestig twee flexibele kunststof meetlinten aan de huid van het dier met behulp chirurgische tape. Plaats de meetlinten tussen de roosters aan de linker- en rechterkant.
  3. Leg het dier aan de ene kant en het verwerven van 30 foto's van de scène uit zoveel verschillende hoeken mogelijk te maken.
    Opmerking: Het doel is de geometrie van de twee rasters zichtbaar te vangen wanneer het dier bepalen op één zijde.
    1. Ten eerste plaats de camera boven het dier en geneigd de caudale kant, een schot waar de getatoeëerde roosters volledig zichtbaar vangen en vullen het frame.
    2. Move in een cirkelvormig patroon rond het dier boog tussen caudaal van de rostrale richting fotografeert onderweg, zodat voor elke foto, de getatoeëerde rasters die zichtbaar zijn geheel weergegeven in het frame.
      1. Op hetzelfde moment, proberen om de ruimte die de roosters te bezetten in het frame te maximaliseren. Een ideaal schot zou de rug van het dier met de getatoeëerde roosters en slechts kleine gebieden van de achtergrond vast te leggen.
    3. Vervolgens plaatst de camera op de ventrale zijde van een schot hoek die nagenoeg evenwijdig is aan de grond en fotograferen in een boog van de ventrale naar de dorsale gebied vangen.
      NB: Het aantal foto's is geen vaste waarde. Voor een goede reconstructie dient elk punt van de getatoeëerde rooster in tenminste 3 foto's; 30 foto's in totaal is een voldoende hoeveelheid voor een succesvolle reconstructie geometrie.
  4. Plaats het dier aan de andere kant en neemt 30 foto's van de tweeoverblijvende rasters volgens dezelfde bovenstaande stappen.
  5. Voer de inflatie stap voor het vinden van de afstand vulopening en het injecteren van de vereiste hoeveelheid zoutoplossing die overeenkomt met de uitbreiding protocol van belang. Gebruik steriele injecteerbare 0,9% zoutoplossing.
    1. Zoek de havens en prep over de huid van het dier met isopropylalcohol doekjes. Toegang tot de haven met een steriele 25-gauge vlindernaald bevestigd aan een spuit met een steriele injecteerbare zoutoplossing.
      Opmerking: Zoals hierboven beschreven, worden de poorten subcutaan getunneld naar een positie op de voorste middenlijn dorsum tijdens expander plaatsing.
    2. Injecteer de gewenste hoeveelheid zoutoplossing. Raadpleeg de opmerking aan het begin van dit hoofdstuk voor de inflatie volumes geïnjecteerd bij elke stap van de uitbreiding proces.
  6. Herhaal de foto acquisitie stappen na het opblazen.
  7. Zodra de inflatie protocol is voltooid, euthanaseren dieren.
    1. Dien algemeneanesthesie door het leveren van isofluraan via maskerventilatie volgende ketamine / acepromazine inductie. Evalueer de diepte van de anesthesie door het bewaken van de ooglidreflex. Ook bewaken vitale functies (hartslag, lichaamstemperatuur, ademhalingsfrequentie en / of reactie op knijpen met weefsel tang).
    2. Euthanaseren het dier door intraveneuze overdosis pentobarbital 90-100 mg / kg. Na overdosis pentobarbital om euthanasie, bevestigt dood door de afwezigheid van detecteerbare hartslag met behulp van een pulsoximeter en hartslag palpatie en de afwezigheid van spontane ademhaling.

3. Multi-view Stereo Reconstructie

  1. Gebruik in de handel verkrijgbare software om het beeld bestanden te uploaden en te reconstrueren de geometrische modellen.
    1. Start de MVS-software op de browser en meld u aan.
    2. Selecteer Photo naar 3D op de linker bovenhoek.
    3. Klik op foto's toevoegen, bladert u naar de locatie van de imleeftijden en handmatig selecteren van de 30 foto's die overeenkomen met een enkel model.
    4. Noem het model en klik creëren
    5. Wacht tot het model moet worden gemaakt. Dit kan enkele minuten duren. Klik op het dashboard op de rechter om terug te gaan naar de oorspronkelijke landing page van de software.
      NB: Het dashboard toont representatieve beelden van de geometrische modellen die zijn gemaakt door de gebruiker.
    6. Plaats de cursor op het model dat zojuist is gecreëerd. Plaats de cursor op de rechterbenedenhoek imago van het model van. Klik downloads en selecteer obj.

4. Spline oppervlakte Fit

  1. Gebruik open source software om de geometrische modellen te verwerken.
  2. Klik File-> Import-> obj om het bestand gegenereerd uit de MVS-software te importeren. Op de bodem van de 3D-weergave op Viewport Shading en Select Textuur. Kijk voor een lipje aan de rechterkant van de 3D-weergave met de submenu's: Transform, Grease Pencil, View, 3D Potlood, etc. Klik op Shading en selecteer Shadeless.
  3. Klik met de rechtermuisknop op de geometrie te selecteren. Op de bodem van de 3D-weergave te selecteren Edit Mode aan de driehoekige mesh te visualiseren.
  4. Selecteer één voor één de knooppunten op de 1 cm markeringen van het meetlint.
    1. Om een ​​punt te selecteren, klik met de rechtermuisknop op, en selecteert u het punt. Coördinaten voor het punt op het lipje aan de rechterzijde van de 3D-weergave. Selecteer en kopieer de coördinaten van het geselecteerde punt naar een tekstbestand.
    2. Herhaal deze handeling voor alle punten op de 1 cm markeringen van het meetlint.
    3. Doe dit voor beide meetlinten. Voorbeelden van de coördinatie van tekstbestanden zijn voorziend: tape1.txt, tape2.txt.
      LET OP: Als er geen knooppunten van het netwerk op het punt van belang, te verdelen het gaas totdat er een knooppunt op het punt van belang. Onderverdelen het gaas selecteert de drie hoekpunten van een driehoek door te drukken op Shift-toets en rechts te klikken op de hoekpunten. Klik vervolgens op de knop Verdeel op het tabblad die op de linkerkant van de 3D-weergave. Deze operatie voegt drie meer knooppunten in de geselecteerde driehoek.
  5. Selecteer 11 x 11 punten van het raster en sla de coördinaten van de punten 121 een tekstbestand in de in figuur 1 patroon.
    1. Analoog aan wat er is gedaan voor de meetlinten, op een punt van het raster te selecteren, klik met de rechtermuisknop op het, zal het punt worden gemarkeerd. Coördinaten voor het punt zal verschijnen op het lipje aan de rechterzijde van de 3D-weergave. Selecteer en kopieer de coördinaten van het geselecteerde punt naar een tekstbestand
      NB: De nummering van de grid punten alwegen caudaal rostrale en de dorsale middellijn naar het buikgebied. Deze ordening garandeert dat de parameter ruimte is consistent zijn voor elke twee patches. Als voorbeeld wordt het bestand gridReference.txt die de coördinaten van 121 punten van een huidpleister bevat verschaft.
  6. Download, compileren en installeren C ++ spline bibliotheken. Het bestand splineLibraryInstallation.txt bevat de link naar de broncode van de spline bibliotheken en instructies voor de installatie.
  7. Compileren de broncode generateCurve.cpp naar het uitvoerbare generateCurve genereren
    OPMERKING: Het programma generateCurve hoeft slechts één keer te worden opgesteld. Deze C ++ broncode compileert en genereert een uitvoerbaar de instructies bovenaan de broncode bestand generateCurve.cpp.
  8. Gebruik het programma generateCurve om splines te passen aan de meetlinten en aan het net punten. Om het programma te starten in een Bas shell type
    directory $ ./generateCurve
    1. Bij het uitvoeren van het programma, zal het de gebruiker te vragen om in het pad naar het bestand met de coördinaten van het meetlint. Dan zal het programma vragen om een ​​naam voor de output file. Voeg de beëindiging .G2 aan de bestandsnaam.
      LET OP: De beëindiging .G2 staat voor go gereedschappen, en wordt geassocieerd met de spline bibliotheken. Twee voorbeelden van spline bestanden uit de categorieën meetlinten zijn beschikbaar met dit protocol (tape1.g2, tape2.g2).
  9. Gebruik de Python-script scalePoints.py om het raster punten schaal. Voer het programma in een Bash shell prompt met drie argumenten: de bestandsnaam van de grid punten en de bestandsnamen van de spieën die overeenkomt met de meetlinten
    directory $ python scalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
    LET OP: Het script scalePoints.py importeert de scripts B_spline.py en NURBS_Curv e.py, dus alle drie de scripts moeten in dezelfde map.
  10. Compileren de broncode generateSurface.cpp het uitvoerbare generateSurface genereren.
    LET OP: Deze stap hoeft slechts één keer te worden gedaan. Meer gedetailleerde instructies zijn beschikbaar in het begin van de broncode bestand generateSurface.cpp.
  11. Met het programma generateSurface een spie oppervlak geschikt om de roosterpunten. Start het uitvoerbare generateSurface op de Bash shell
    directory $ ./generateSurface
    1. Het uitvoeren van het programma in een shell zal vragen om de bestandsnaam die de geschaalde punten. Dan zal vragen om de naam van de output file. Voeg de beëindiging .G2 om de output bestandsnaam.
      LET OP: De beëindiging .G2 wordt gesuggereerd door de spline bibliotheken en staat voor go gereedschap. De bestanden gridReference.g2 en gridDeformed.g2 zijn bedoeld als voorbeelden.
TITEL "> 5. Kwantificering van-Expansion geïnduceerde vervorming

  1. Start Python in de Bash shell prompt
    directory $ python
    OPMERKING: Python initialiseert de tolk, dat is een interface die lijkt op de schelp die een nieuwe command line omgeving zal laten zien >>>
  2. Importeer het script expansionIGA.py die een functie genaamd evaluateMembraneIGA bevat
    >>> van expansionIGA import evaluateMembraneIGA
  3. Roep de functie evaluateMembraneIGA de vervorming kaarten te berekenen.
    OPMERKING: Deze functie heeft als argumenten:
    Bestandsnaam van het referentieoppervlak
    Bestandsnaam van het vervormde oppervlak
    Resolutie van de evaluatie (hoeveel punten worden geëvalueerd in elke richting)
    Minimumwaarde van oppervlakteverstrekverhouding gebruikt om de contour plotschaal
    Maximumwaarde van oppervlakteverstrekverhouding gebruikt om de contour plotschaal
    Minimumwaarde van rek in langsrichting onsed aan de contouren schalen
    Maximumwaarde van rek in langsrichting van de contouren gebruikte schalen
    Minimumwaarde van rek in dwarsrichting van de contouren gebruikte schalen
    Maximumwaarde van rek in dwarsrichting van de contouren gebruikte schalen
    Afstand tussen rasterlijnen in de contourgrafiek
    Output filename
    1. Voer bijvoorbeeld
      >>> evaluateMembraneIGA (gridReference.g2 ', 'gridDeformed.g2', 250, 3, 0,5, 2, 0,5, 2, 0,5, 25, 'vervorming')
      LET OP: Deze opdracht zal genereren en op te slaan zes output bestanden. Merk op dat het laatste argument in het bovenstaande voorbeeld is de output bestandsnaam vervorming, dus de bestanden die worden gegenereerd, zijn:
      deformation_theta.png: contourgrafiek van de oppervlakteverstrekverhouding
      deformation_theta.txt: tabel van waarden die overeenkomen met de contour plot van oppervlakteverstrekverhouding
      deformation_G1.png: contourgrafiek van de rek along de langsas van het dier
      deformation_G1.txt: tabel van waarden die overeenkomen met de contourgrafiek van strekt zich uit langs de lengteas van het dier
      deformation_G2.png: contourgrafiek van de rek component in de dwarsas van het dier
      deformation_G2.txt: tabel van waarden die overeenkomen met de contourgrafiek van de component van de rek in de dwarsas van het dier
      LET OP: Niet te verwarren de beëindiging van de spline-bestanden, .G2, met de vector G2. De spline bestanden eindigend .G2 na de naamgeving van de spline-bibliotheek. Anderzijds, de vectoren G1 en G2 geven de langs- en dwarsrichtingen ten opzichte van het dier.
      LET OP: De contour bestanden worden gegenereerd met verschillende functies op de vier hoeken van de interpretatie van de parameter ruimte te vergemakkelijken: Black pixel: de meeste caudale, meest dorsale punt; Red pixel hoek: most rostrale meeste dorsale punt; Green pixel hoek: de meeste caudale, meest ventrale punt; Blue pixel hoek: de meeste rostrale, meest ventrale punt.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze methode is met succes toegepast om de deformatie geïnduceerd door verschillende geometrieën expander studeren: rechthoek, bol en toenemende expanders 31, 32. De resultaten die overeenkomen met de sfeer en halve maan expanders worden nu besproken. Figuur 2 toont de drie stappen van MVS modelwederopbouw. Het uitgangspunt is een verzameling van foto's uit een statische scene. Het dier met de getatoeëerde ro...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier presenteerden we een protocol om de vervormingen geïnduceerd tijdens een weefselexpansie procedure in een varkensmodel behulp van multi-view stereo (MVS) en isogeometric kinematica (IGA kinematica) te karakteriseren. Tijdens weefselexpansie, huid ondergaat grote vervormingen gaande van een glad en relatief vlak oppervlak tot een koepelachtige vorm 3D. Huid, zoals andere biologische membranen 34, reageert op rekken produceren nieuw materiaal, waardoor op plaatsen die vervolgens kan word...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sde auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd ondersteund door NIH-subsidie 1R21EB021590-01A1 aan Arun Gosain en Ellen Kuhl.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Yucatan miniature swineSinclair Bioresources, Windham, MEN/A
AntibioticsSanta Cruz Animal Health, Paso Robles, CAsc-362931RxCeftiofur, dosering 5 mg/kg intramusculair
Chirurgische zeep op basis van chloorhexidineCardinal Health, Dublin, OHAS-4CHGL(4-32)4% chloorhexidine gluconaat chirurgische handwas
Tattoo overdrachtsmedium Hildbrandt Tattoo Supply, Point Roberts, WATRANSFStencil thermisch tattoo overdrachtspapier
Lidocaine met epinefrineACE Surgical Supply Co, Brockton, MA001-1423Lidocaine Hcl 1% (Xylocaine) - Epinephrine 1:100.000, 20 mL
BuprenorfineZooPharm, Windsor, CO1 mg/mL met verlengde afgifte, dosering 0,01 mg/kg intramusculair
Digitale cameraSonyAlpha33Standaard digitale camera met 18 - 35 mm lens, 3,5 - 5,6 diafragma. Gebruikt in automatische modus, geen flitser
MeetlintMedline, Mundelein, IllinoisNON171330Intrekbaar meetlint, doek, plastic behuizing, 72 inch
WeefseluitzettersPMT, Chanhassen, MN03610-06-024 cm x 6 cm, rechthoekig, 120 cc, 3610 serie 2-traps weefseluitzetter met standaardpoort
ReCap360AutodeskN/AMVS Software, webtoepassing: recap360.autodesk.com
BlenderBlender FoundationN/AComputer Graphics Software, open source: blender.org
SISLSINTEFN/AC++ splinebibliotheken, open source: https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gosain, A. K., Zochowski, C. G., Cortes, W. Refinements of tissue expansion for pediatric forehead reconstruction: a 13-year experience. Plast Reconstr Surg. 124, 1559-1570 (2009).
  2. Neumann, C. G. 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. Plast Reconstr Surg. 19, 124-130 (1957).
  3. De Filippo, R. E., Atala, A. Stretch and growth: the molecular and physiologic influences of tissue expansion. Plast Reconstr Surg. 109, 2450-2462 (2002).
  4. Buganza Tepole, A., Joseph Ploch, C., Wong, J., Gosain, A. K., Kuhl, E. Growing skin: A computational model for skin expansion in reconstructive surgery. J Mech Phys Solids. 59, 2177-2190 (2011).
  5. LoGiudice, J., Gosain, A. K. Pediatric Tissue Expansion: Indications and Complications. J Craniofac Surg. 14, 866-866 (2003).
  6. Rivera, R., LoGiudice, J., Gosain, A. K. Tissue expansion in pediatric patients. Clin Plast Surg. 32, 35-44 (2005).
  7. Marcus, J., Horan, D. B., Robinson, J. K. Tissue expansion: Past, present, and future. J Am Acad Dermatol. 23, 813-825 (1990).
  8. Patel, P. A., Elhadi, H. M., Kitzmiller, W. J., Billmire, D. A., Yakuboff, K. P. Tissue expander complications in the pediatric burn patient: a 10-year follow-up. Ann Plast Surg. 72, 150-154 (2014).
  9. Pietramaggiori, G., et al. Tensile Forces Stimulate Vascular Remodeling and Epidermal Cell Proliferation in Living Skin. Ann Surg. 246, 896-902 (2007).
  10. Khalatbari, B., Bakhshaeekia, A. Ten-year experience in face and neck unit reconstruction using tissue expanders. Burns. 39, 522-527 (2013).
  11. Brobmann, F. F., Huber, J. Effects of different-shaped tissue expanders on transluminal pressure, oxygen tension, histopathologic changes, and skin expansion in pigs. Plast Reconstr Surg. 76, 731-736 (1985).
  12. van Rappard, J. H., Molenaar, J., van Doorn, K., Sonneveld, G. J., Borghouts, J. M. Surface-area increase in tissue expansion. Plast Reconstr Surg. 82, 833-839 (1988).
  13. Pusic, A. L., Cordeiro, P. G. An accelerated approach to tissue expansion for breast reconstruction: experience with intraoperative and rapid postoperative expansion in 370 reconstructions. Plast Reconstr Surg. 111, 1871-1875 (2003).
  14. Schneider, M. S., Wyatt, D. B., Konvolinka, C. W., Hassanein, K. M., Hiebert, J. M. Comparison of Rapid Versus Slow Tissue Expansion on Skin-Flap Viability. Plast Reconstr Surg. 92, 1126-1132 (1993).
  15. Schmidt, S. C., Logan, S. E., Hayden, J. M., Ahn, S. T., Mustoe, T. A. Continuous versus conventional tissue expansion: experimental verification of a new technique. Plast Reconstr Surg. 87, 10-15 (1991).
  16. Buganza Tepole, A., Gart, M., Purnell, C. A., Gosain, A. K., Kuhl, E. Multi-view stereo analysis reveals anisotropy of prestrain, deformation, and growth in living skin. Biomech Model Mechanobiol. 14, 1007-1019 (2015).
  17. Tonge, T. K., Atlan, L. S., Voo, L. M., Nguyen, T. D. Full-field bulge test for planar anisotropic tissues: Part I-Experimental methods applied to human skin tissue. Acta Biomater. 9, 5913-5925 (2013).
  18. Park, S. I., Hodgins, J. K. Capturing and animating skin deformation in human motion. ACM Trans Graph. 25, 881-881 (2006).
  19. Rausch, M. K., et al. In vivo dynamic strains of the ovine anterior mitral valve leaflet. J Biomech. 44, 1149-1157 (2011).
  20. Leyva-Mendivil, M. F., Page, A., Bressloff, N. W., Limbert, G. A mechanistic insight into the mechanical role of the stratum corneum during stretching and compression of the skin. J Mech Behav Biomed Mater. 49, 197-219 (2015).
  21. Buganza Tepole, A., Kabaria, H., Bletzinger, K. -U., Kuhl, E. Isogeometric Kirchhoff-Love shell formulations for biological membranes. Comput Methods Appl Mech Eng. 293, 328-347 (2015).
  22. Prot, V., Skallerud, B., Holzapfel, G. A. Transversely isotropic membrane shells with application to mitral valve mechanics. Constitutive modelling and finite element implementation. Int J Num Meth Eng. 71, 987-1008 (2007).
  23. Seitz, S. M., Curless, B., Diebel, J., Scharstein, D., Szeliski, R. A comparison and evaluation of multi-view stereo reconstruction algorithms. Proc IEEE CVPR. 1, 519-528 (2006).
  24. Furukawa, Y., Ponce, J. Dense 3D motion capture for human faces. 2009 IEEE CVPR. , (2009).
  25. Jor, J. W. Y., Nash, M. P., Nielsen, P. M. F., Hunter, P. J. Estimating material parameters of a structurally based constitutive relation for skin mechanics. Biomech Model Mechanobiol. 10, 767-778 (2010).
  26. Weickenmeier, J., Jabareen, M., Mazza, E. Suction based mechanical characterization of superficial facial soft tissues. J Biomech. 48, 4279-4286 (2015).
  27. Hughes, T. J. R., Cottrell, J. A., Bazilevs, Y. Isogeometric analysis: CAD, finite elements, NURBS, exact geometry and mesh refinement. Comput Methods Appl Mech Eng. 194, 4135-4195 (2005).
  28. Echter, R., Oesterle, B., Bischoff, M. A hierarchic family of isogeometric shell finite elements. Comput Methods Appl Mech Eng. 254, 170-180 (2013).
  29. Benson, D. J., Hartmann, S., Bazilevs, Y., Hsu, M. C., Hughes, T. J. R. Blended isogeometric shells. Comput Methods Appl Mech Eng. 255, 133-146 (2013).
  30. Chen, L., et al. Explicit finite deformation analysis of isogeometric membranes. Comput Methods Appl Mech Eng. 277, 104-130 (2014).
  31. Buganza Tepole, A., Gart, M., Purnell, C. A., Gosain, A. K., Kuhl, E. The Incompatibility of Living Systems: Characterizing Growth-Induced Incompatibilities in Expanded Skin. Ann Biomed Eng. 44, 1734-1752 (2016).
  32. Buganza Tepole, A., Gart, M., Gosain, A. K., Kuhl, E. Characterization of living skin using multi-view stereo and isogeometric analysis. Acta Biomater. 10, 4822-4831 (2014).
  33. Rose, E. H., Ksander, G. A., Vistnes, L. M. Skin tension lines in the domestic pig. Plast Reconstr Surg. 57, 729-732 (1976).
  34. Rausch, M. K., Kuhl, E. On the mechanics of growing thin biological membranes. J Mech Phys Solids. 63, 128-140 (2014).
  35. Argenta, L. C. Controlled tissue expansion in reconstructive surgery. Br J Plast Surg. 37, 520-529 (1984).
  36. Hudson, D. Maximising the use of tissue expanded flaps. Br J Plast Surg. 56, 784-790 (2003).
  37. Bartell, T. H., Mustoe, T. A. Animal models of human tissue expansion. Plast Reconstr Surg. 83, 681-686 (1989).
  38. Belkoff, S. M., et al. Effects of subcutaneous expansion on the mechanical properties of porcine skin. J Surg Res. 58, 117-123 (1995).
  39. Ni Annaidh, A., Bruyère, K., Destrade, M., Gilchrist, M. D., Otténio, Automated estimation of collagen fibre dispersion in the dermis and its contribution to the anisotropic behaviour of skin. Ann Biomed Eng. 5, 139-148 (2012).
  40. Kiendl, J., Bletzinger, K. U., Linhard, J., Wüchner, R. Isogeometric shell analysis with Kirchhoff-Love elements. Comput Methods Appl Mech Eng. 198, 3902-3914 (2009).
  41. Changchang, W. VisualSFM: A Visual Structure from Motion System. , Available from: http://ccwu.me/vsfm/index.html (2011).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Tissue ExpansionMulti View StereoIsogeometric AnalysisStrain QuantificationPorcine ModelSkin Deformation3D ReconstructionGrid TattooingExpander InflationRegional Strains

Gerelateerde artikelen