Kwantificering van Strain in een varkensmodel van Skin Expansion Met behulp van Multi-View Stereo en Isogeometric Kinematica
16 april 2017
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.
Het algemene doel van dit experiment is om spanningskaarten van de huid te kwantificeren tijdens weefselexpansie met behulp van isogeometrische analyse en multi-view stereo. Deze methode kan helpen om belangrijke vragen te beantwoorden op het gebied van reconstructieve chirurgie met weefselexpansie, zoals het bepalen van regionale vervormingen veroorzaakt door verschillende expansievormen, grootten en inblaassnelheden. Het grote voordeel van deze techniek is dat het computationele analyse en flexibele 3D-beeldvormingstechnieken gebruikt.
Daarom kan het worden gebruikt in de operatiekamer zonder de routineprocedure te wijzigen. De implicaties van deze techniek strekken zich uit naar therapie omdat het gemakkelijk kan worden vertaald naar de klinische omgeving om huidvervormingskaarten van menselijke patiënten die weefselexpansie ondergaan, te monitoren. Om te beginnen, bereid en anesthetiseer Yucatan mini-varken voor de operatie door zijn dorsale huid met een scheermes te scheren.
Verwijder eventueel overgebleven haar met tape en veeg de huid grondig af met isopropylalcohol om verontreinigingen te verwijderen. Vervolgens identificeer de dorsale middenlijn op het lichaam van het dier en markeer met een pen de dorsale grenzen van vier rasters zodat ze ongeveer twee centimeter van de dorsale middenlijn af staan. Na het markeren op de huid van de locatie van het eerste voorste raster, laat een drie centimeter groot gat en markeer de positie van het achterste raster.
Bevestig tenslotte dat de gemarkeerde voorste en achterste rasterlocaties symmetrisch zijn ten opzichte van de dorsale middenlijn en op dezelfde supracaudale afstand zijn gepositioneerd. Zodra de locaties van het raster zijn gemarkeerd, bereid een papieren sjabloon van een raster van 10 centimeter bij 10 centimeter voor. Om dit te doen, schets de lijnen herhaaldelijk met een balpen en knip de sjabloon vervolgens bij.
Bevochtig vervolgens het gewenste huidgebied grondig met isopropylalcohol om de overdracht van de rastertracering te vergemakkelijken en laat het overtollige alcohol aan de lucht drogen, wat voorkomt dat de inkt lekt. Lijn de randen van de voorbereide rastersjabloon uit met de markeringen op de huid en breng het raster aan op de huid met de inktzijde naar beneden, druk dan voorzichtig de rastersjabloon tegen de huid om een volledige overdracht van de inkt te garanderen. Verwijder na enkele seconden langzaam het raster van de huid en zorg ervoor dat de rastertracering goed is overgedragen.
Voor het tatoeëren, bedek de rastertracering met vaseline om het smeren van de inkt te verminderen en gebruik een tatoeëerapparaat om de lijnen van het raster met tatoeërinkt te bedekken. Zodra het eerste raster is getatoeëerd, breng de tracering voor het tweede raster over op de huid van het dier en zorg ervoor dat beide rasters drie centimeter uit elkaar staan. Na het tatoeëren van het tweede raster, bevestig dat beide rasters twee centimeter lateraal van de dorsale middenlijn zijn gepositioneerd.
Zodra vier rasters zijn getatoeëerd, bevestig dat ze twee centimeter van de dorsale middenlijn zijn gepositioneerd en opnieuw drie centimeter uit elkaar staan. Om de operatie te beginnen, markeer op de huid van het verdovingspa en een incisieplaats, gelegen op het midden tussen twee rasters, markeer vervolgens de gewenste locatie van de expansie zodat deze in het bovenste deel van het getatoeëerde raster is gepositioneerd. Snijd de huid met een chirurgisch mes en maak met een schaar een strakke subcutane tunnel die de initiële incisie verbindt met een gebied waar de expansie zal worden geplaatst, en vervolgens dissecteer de zak binnen de gemarkeerde plaats van de expansie.
Was vervolgens de gecreëerde tunnel met een antibioticumoplossing om infectie te voorkomen en breng de expansie aan in zijn subcutane zak. Zodra de expansie op zijn plaats is, markeer de plaatsen van twee incisies naast de dorsale middenlijn die zullen worden gebruikt voor een expansiepoortplaatsing, en maak de sneden met het scalpel. Hierna, breng een klemmen door de caudale incisie in en dissecteer een andere subcutane tunnel die deze verbindt met de incisie die eerder werd gebruikt voor de plaatsing van de expansie, grijp vervolgens de slang van de expansie en trek deze naar buiten door de caudale poortincisie.
Gebruik de tweede incisie om een zak te dissecteren voor een inblaaspoortplaatsing, en breng de poort in de zak. Maak met behulp van klemmen een andere subcutane tunnel die de twee poortplaatsingssneden verbindt, grijp vervolgens de slang van de poort met de klemmen en trek deze naar buiten door dezelfde incisie waar de slang van de expansie is geplaatst. Na het trimmen van beide buizen, verbind ze met behulp van een metalen adapter.
Bevestig de verbinding aan beide zijden van de adapter door rond de slang te naaien. Trek de slang door de aanvankelijk gemaakte incisie zodat het slangensysteem subcutaan wordt geplaatst, introduceer vervolgens een 21 gauge naald die is bevestigd aan een 50 milliliter spuit gevuld met vloeistof door de huid naar de expansiepoort en verwijder de lucht uit de expansie door de zuiger te trekken. Zodra alle lucht is verwijderd, injecteer naar de expansiepoort ongeveer 10 milliliter van de vloeistof om te bevestigen dat deze goed vult.
Sluit tenslotte alle drie de incisies door chirurgische hechtingen aan te brengen, en markeer vervolgens de incisieplaats tussen de twee rasters aan de andere kant van de lichaam van het varken om de tweede expansie diagonaal te plaatsen ten opzichte van de eerste expansieplaats. Nadat het dier is verdoofd, bevestigt u flexibele plastic meetlintjes tussen de rasters met behulp van chirurgisch tape, plaats vervolgens het dier op een zijkant om de raster met foto's te documenteren. Het is van cruciaal belang om de foto's vanuit vele verschillende hoeken te maken, ervoor te zorgen dat de afbeeldingen scherp zijn en voornamelijk het object van belang bevatten in plaats van de achtergrond.
Dit zorgt voor een nauwkeurige 3D-geometrie reconstructie, wat cruciaal is voor de analyse. Begin door de camera boven het dier te positioneren maar schuin naar de caudale kant te leunen om een opname te maken die ongeveer parallel aan de grond is waar de getatoeëerde rasters volledig zichtbaar zijn en het beeldvlak vullen, beweeg vervolgens in een cirkelvormige pat
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een methode voor het kwantificeren van spanningskaarten van de huid tijdens weefselexpansie met behulp van isogeometrische analyse en multi-view stereo. De techniek is ontworpen om toepasbaar te zijn in chirurgische omgevingen en biedt inzicht in regionale vervormingen veroorzaakt door verschillende expanderconfiguraties.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Reconstructieve chirurgie
- Weefselexpansie
- 3D-beeldtechnieken
Achtergrond
- Het begrijpen van huidvervorming is cruciaal in reconstructieve chirurgie.
- Verschillende vormen en maten van expanders kunnen verschillende vervormingen veroorzaken.
- Huidige methoden zijn mogelijk niet aanpasbaar voor real-time chirurgische toepassingen.
- Isogeometrische analyse biedt een computationele benadering voor het modelleren van deze vervormingen.
Doel van het onderzoek
- Om spanningskaarten van de huid tijdens weefselexpansie te kwantificeren.
- Om de effecten van de vormen, maten en opblaaspercentages van expanders te evalueren.
- Om het gebruik van geavanceerde beeldtechnieken in klinische omgevingen te faciliteren.
Gebruikte methoden
- Multi-view stereo voor het genereren van 3D-modellen uit foto's.
- Spline-gebaseerde isogeometrische kinematica voor spanningskwantificering.
- Voorbereiding en anesthesie van Yucatan mini-varken voor chirurgische toepassing.
- Real-time monitoring van huidvervorming tijdens weefselexpansie.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle generatie van 3D-modellen uit ongekalibreerde foto's.
- Kwantificering van spanningskaarten die regionale vervormingen aantonen.
- Validatie van de toepasbaarheid van de methode in chirurgische omgevingen.
- Mogelijkheid voor klinische translatie om menselijke patiënten te monitoren.
Conclusies
- De methode biedt een flexibele en betaalbare aanpak voor real-time spanningsanalyse.
- Het verbetert het begrip van weefselgedrag tijdens expansie.
- Toekomstige toepassingen kunnen de patiëntresultaten in reconstructieve chirurgie verbeteren.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Quantitative strain mapping in tissue expansion models addresses a critical gap in understanding biomechanical responses during reconstructive interventions. This capability enhances predictive confidence in tissue engineering and supports risk-adjusted decision-making for device and protocol development. Integrating advanced 3D imaging and computational kinematics enables translational continuity from preclinical models to clinical planning.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise interrogation of tissue mechanics under controlled expansion protocols.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying regional deformation responses to device variables.
- Facilitates functional validation of tissue engineering targets and device designs.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible 3D deformation maps for comparative device evaluation.
- Generates quantitative outputs suitable for downstream computational modeling and simulation.
- Enables scalable assessment of expander geometries and inflation regimens in preclinical workflows.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical biomechanical data with translational biomarker development for tissue growth.
- Supports continuity from animal models to human clinical planning through quantitative deformation analysis.
- Informs risk-adjusted advancement of novel reconstructive devices and protocols.
Pipeline & Workflow Integration
This method bridges early discovery, device screening, and translational research by providing quantitative biomechanical readouts in a preclinical model.
- Discovery Biology: Quantifies tissue response to mechanical expansion, supporting hypothesis-driven device optimization.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative strain maps for comparative analysis of device and protocol variables.
- Analytics: Enables extraction of spatial deformation metrics and statistical comparison across experimental conditions.
- Translational Research: Provides a foundation for computational simulation and personalized treatment planning.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable workflow for biomechanical assessment across tissue engineering programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in tissue mechanics and device performance.
- Operational Value: Standardizes biomechanical data collection and analysis for reproducibility.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for device and protocol advancement, reducing late-stage risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of reconstructive and tissue engineering assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D imaging, computational modeling, and biomechanical analysis.
- Needs access to multi-view stereo imaging systems and isogeometric analysis software.
- Demands cross-team standardization of imaging and data extraction protocols.
- Adaptable to various tissue models and device configurations with protocol adjustments.
- Dependent on high-quality image acquisition and precise anatomical landmarking.
