Artykuł metodologiczny

Kwantyfikacja odkształcenia w świńskim modelu rozszerzania się skóry przy użyciu kinematyki stereoskopowej i izogeometrycznej Multi-View

DOI:

10.3791/55052

⸱

16 kwietnia 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ten protokół wykorzystuje stereo z wieloma widokami do generowania trójwymiarowych (3D) modeli z nieskalibrowanych sekwencji zdjęć, dzięki czemu jest przystępny cenowo i można go dostosować do warunków chirurgicznych. Mapy odkształceń między modelami 3D są określane ilościowo za pomocą kinematyki izogeometrycznej opartej na splajnach, która ułatwia odwzorowanie gładkich powierzchni na grubych oczkach o tej samej parametryzacji.

Streszczenie

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

Rozszerzanie tkanek jest popularną techniką w chirurgii plastycznej i rekonstrukcyjnej, która hoduje skórę in vivo w celu korekcji dużych defektów, takich jak oparzenia i gigantyczne wrodzone znamiona. Pomimo powszechnego stosowania, planowanie i wykonywanie protokołu ekspansji jest trudne ze względu na trudności w pomiarze odkształceń nakładanych na każdym etapie inflacji i przez cały czas trwania procedury. Kwantyfikacja pól deformacji ma kluczowe znaczenie, ponieważ rozkład rozciągliwości w czasie określa tempo i ilość wzrostu skóry pod koniec zabiegu. W niniejszym manuskrypcie przedstawiono metodę badania ekspansji tkanek w celu uzyskania ilościowej wiedzy na temat deformacji wywołanych podczas procesu ekspansji. Ten eksperymentalny protokół obejmuje wielowidokową stereofoniczną i izogeometryczną analizę kinematyczną w świńskim modelu ekspansji tkanek. Stereo z wieloma widokami umożliwia trójwymiarową rekonstrukcję geometryczną z nieskalibrowanych sekwencji obrazów. Izogeometryczna analiza kinematyczna wykorzystuje splajny do opisania regionalnych odkształceń między gładkimi powierzchniami z niewielką liczbą punktów siatki. Nasz protokół ma potencjał, aby wypełnić lukę między podstawowymi badaniami naukowymi dotyczącymi mechaniki rozszerzania się skóry a warunkami klinicznymi. Docelowo oczekujemy, że wiedza zdobyta dzięki naszej metodyce umożliwi planowanie leczenia z wykorzystaniem symulacji obliczeniowych deformacji skóry w sposób spersonalizowany.

Wprowadzenie

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

Rozszerzanie tkanek jest powszechną techniką w chirurgii plastycznej i rekonstrukcyjnej, która zwiększa powierzchnię skóry in vivo w celu korekcji dużych wad skórnych 1. Neumann w 1957 roku był pierwszym chirurgiem, który udokumentował tę procedurę. Wszczepił balon pod skórę pacjenta i stopniowo nadmuchiwał go przez kilka tygodni, aby wyhodować nową tkankę i przywrócić powierzchnię ucha 2. Skóra, podobnie jak większość tkanek biologicznych, przystosowuje się do przyłożonych sił i deformacji, aby osiągnąć mechaniczną homeostazę. Po rozciągnięciu poza reżim fizjologiczny skóra rośnie 3,4. Jedną z głównych zalet ekspansji tkanek jest wytwarzanie skóry o odpowiednim unaczynieniu i takim samym łożysku włosów, właściwościach mechanicznych, kolorze i teksturze jak otaczająca tkanka 5.

Po wprowadzeniu sześć dekad temu, ekspansja skóry została szeroko przyjęta przez chirurgów plastycznych i rekonstrukcyjnych i obecnie jest używana do korygowania oparzeń, dużych wad wrodzonych oraz do rekonstrukcji piersi po mastektomii 6,7. Jednak pomimo powszechnego stosowania, zabiegi rozszerzania skóry mogą prowadzić do powikłań 8. Wynika to częściowo z braku wystarczających dowodów ilościowych potrzebnych do zrozumienia podstawowej mechanobiologii procedury i prowadzenia chirurga podczas planowania przedoperacyjnego 9,10. Kluczowymi parametrami w tej technice są szybkość napełniania, objętość napełniania na napompowanie, wybór kształtu i rozmiaru ekspandera oraz umiejscowienie urządzenia 11,12. Obecne planowanie przedoperacyjne opiera się w dużej mierze na doświadczeniu lekarza, co skutkuje szeroką gamą arbitralnych protokołów, które często znacznie się różnią 13,14,15.

Aby wypełnić obecne luki w wiedzy, przedstawiamy eksperymentalny protokół do ilościowego określenia deformacji wywołanej ekspansją w modelu ekspansji tkanek u świń zwierzęcych. Protokół opiera się na wykorzystaniu multi-view stereo (MVS) do rekonstrukcji trójwymiarowych (3D) geometrii z sekwencji dwuwymiarowych (2D) obrazów z nieznanymi pozycjami kamery. Za pomocą splajnów reprezentacja gładkich powierzchni prowadzi do obliczenia odpowiednich map odkształceń za pomocą opisu izogeometrycznego (IGA). Analiza geometrii opiera się na teoretycznych ramach mechaniki kontinuum membran posiadających wyraźną parametryzację 16.

Charakteryzowanie fizjologicznie istotnych deformacji żywych materiałów w długich okresach czasu nadal pozostaje trudnym problemem. Typowe strategie obrazowania tkanek biologicznych obejmują stereoskopową korelację obrazów cyfrowych, komercyjne systemy przechwytywania ruchu z markerami odblaskowymi oraz dwupłaszczyznową fluoroskopię wideo 17,18,19. Techniki te wymagają jednak restrykcyjnej konfiguracji eksperymentalnej, są na ogół drogie i są stosowane głównie w warunkach ex vivo lub ostrych warunkach in vivo. Skóra ma tę zaletę, że jest cienką strukturą. Mimo że składa się z kilku warstw, skóra właściwa jest w dużej mierze odpowiedzialna za właściwości mechaniczne tkanki, a zatem deformacja powierzchni ma pierwszorzędne znaczenie 20; Można przyjąć rozsądne założenia kinematyczne dotyczące deformacji poza płaszczyzną 21,< klasa SUP = "odnośnik zewnętrzny">22. Co więcej, skóra jest już wystawiona na działanie środowiska zewnętrznego, co umożliwia użycie konwencjonalnych narzędzi do obrazowania w celu uchwycenia jej geometrii. W tym miejscu proponujemy zastosowanie MVS jako niedrogiego i elastycznego podejścia do monitorowania deformacji skóry in vivo przez kilka tygodni bez znaczącej ingerencji w protokół ekspansji tkanek. MVS to technika, która wyodrębnia reprezentacje 3D obiektów lub scen z kolekcji obrazów 2D z nieznanymi kątami kamery 23. Tylko w ciągu ostatnich trzech lat pojawiło się kilka kodeksów handlowych (przykłady w wykazie materiałów). Wysoka dokładność rekonstrukcji modelu za pomocą MVS, z błędami tak niskimi jak 2% 24, sprawia, że podejście to nadaje się do kinematycznej charakterystyki skóry in vivo w długich okresach czasu.

Aby uzyskać odpowiednie mapy deformacji skóry podczas rozszerzania się tkanki, punkty pomiędzy dowolnymi dwiema konfiguracjami geometrycznymi są dopasowywane. Tradycyjnie badacze zajmujący się biomechaniką obliczeniową używali siatek elementów skończonych i analizy odwrotnej do uzyskania mapy deformacji 25,26. Zastosowane tutaj podejście IGA wykorzystuje funkcje bazowe splajnu, które oferują kilka zalet do analizy cienkich membran 27,28. Mianowicie, dostępność wielomianów wysokiego stopnia ułatwia reprezentację gładkich geometrii nawet przy bardzo grubych oczkach 29,30. Ponadto możliwe jest dopasowanie tej samej podstawowej parametryzacji do wszystkich łatek powierzchni, co pozwala obejść potrzebę wystąpienia problemu odwrotnego w celu uwzględnienia niepasujących dyskretyzacji.

Opisana tutaj metoda otwiera nowe możliwości badania mechaniki skóry w odpowiednich warunkach in vivo przez długie okresy czasu. Ponadto mamy nadzieję, że nasza metodologia jest krokiem umożliwiającym osiągnięcie ostatecznego celu, jakim jest opracowanie narzędzi obliczeniowych do spersonalizowanego planowania leczenia w warunkach klinicznych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

Ten protokół obejmuje eksperymenty na zwierzętach. Protokół został zatwierdzony przez IRB Komitetu ds. Opieki i Wykorzystania Zwierząt w Szpitalu Dziecięcym Ann and Robert H. Lurie w Chicago w celu zagwarantowania humanitarnego traktowania zwierząt. Wyniki dwóch badań nad ekspansją przy użyciu tego protokołu zostały opublikowane gdzie indziej 16,31.

Wykonanie tego protokołu wymaga zespołu o uzupełniającym doświadczeniu. Pierwsza część protokołu opisuje zabieg chirurgiczny na modelu zwierzęcym, wymagający personelu z odpowiednim przeszkoleniem medycznym. Dalsza analiza, w szczególności sekcje 4 i 5, obejmuje podstawowe umiejętności programowania komputerowego w językach C++ i Python oraz użycie powłoki wiersza poleceń.

1. Zabieg chirurgiczny w celu umieszczenia ekspandera

UWAGA: Personel zaangażowany w operację musi być wyszorowany i ubrany w sterylny sposób. Sterylne ręczniki i zasłony są nakładane wokół pola operacyjnego, aby utrzymać sterylność. Wszystkie narzędzia, szwy i ekspandery tkanek są dostarczane w sterylnych opakowaniach i obsługiwane wyłącznie przez sterylny personel. Sterylność miejsca operacyjnego nie może być naruszona do czasu zakończenia zabiegu.

  1. Zaaklimatyzuj miesięczne samce mini świń z Jukatanu w standardowych pomieszczeniach na tydzień i karm je ad libitum.
  2. W dniu zabiegu należy znieczulić zwierzę za pomocą ketaminy/acepromazyny w celu indukcji (4 - 6 mg/kg), a następnie izofluranu w celu podtrzymania. Oceń głębokość znieczulenia, monitorując odruch powiekowy. Monitoruj również parametry życiowe (tętno, temperaturę ciała, częstość oddechów i/lub reakcję na szczypanie kleszczami tkankowymi). Nałóż maść okulistyczną na oczy, aby chronić przed otarciami rogówki.
  3. Podaj antybiotyki przed zabiegiem i oczyść skórę grzbietową mydłem chirurgicznym na bazie chlorheksydyny. Przenieś cztery siatki o wymiarach 10 x 10 cm2, po dwie z każdej strony zwierzęcia, z oznaczeniami linii o długości 1 cm na skórę świni za pomocą podłoża do tuszowania. Siatki odpowiadają następującym czterem regionom: lewy rostralny, prawy rostralny, lewy ogonowy i prawy ogonowy. Użyj szablonu z odniesieniem do linii środkowej, aby zapewnić symetryczne rozmieszczenie wzorów siatki.
    1. Utwórz siatki na papierze, mocno obrysowując kontury siatki długopisem. Umyj obszar na zwierzęciu, w którym ma być umieszczona kratka, alkoholem izopropylowym.
    2. Nałóż siatkę (stroną z tuszem do pióra skierowaną w dół) bezpośrednio na skórę. Alkohol służy do wysysania części atramentu z papieru, przenosząc siatkę na skórę zwierzęcia.
  4. Wstrzyknąć znieczulenie miejscowe (1% lidokainy z epinefryną w proporcji 1:100 000) podskórnie w miejsce każdego planowanego nacięcia.
  5. Wykonaj nacięcie po obu stronach zwierzęcia w środku między dwiema siatkami.
    UWAGA: Nacięcia umieszcza się po lewej i prawej stronie zwierzęcia między 2 kratkami po tej stronie. Występuje nacięcie lewostronne i nacięcie prawostronne
  6. Użyj hemostatu, aby rozwinąć podskórny tunel pod siatką zainteresowania. Po wydrążeniu tunelu włóż ekspander pod siatkę.
    UWAGA: Tunele umieszcza się pod dowolną siatką, która będzie wyposażona w ekspander tkankowy.
  7. Umieść port do pompowania ekspandera zdalnie przez podskórny tunel utworzony w podobny sposób wzdłuż grzbietowej linii środkowej zwierzęcia. Napraw rany przez zszycie.
  8. Po operacji zwierzę należy profilaktycznie leczyć antybiotykami (Ceftiofur 5 mg/kg mc. jednorazowo) oraz lekami przeciwbólowymi (buprenorfina 0,05 - 0,1 mg/kg) we wstrzyknięciu domięśniowym co 12 godzin przez 4 dawki, przy czym dodatkowe dawki są dostępne w przypadku objawów stresu u zwierzęcia.
  9. Obserwuj zwierzęta w sposób ciągły przez 2 godziny po operacji, w tym rutynowy pomiar parametrów życiowych, dopóki nie wznowią poruszania się i nie będą w stanie utrzymać normotermii. Trzymaj zwierzę w oddzielnej klatce i monitoruj, aż będzie w stanie samodzielnie chodzić na wszystkich 4 nogach, zanim przeniesiesz je z powrotem do normalnego obszaru utrzymania i pozostawisz bez opieki.
  10. Po okresie rekonwalescencji bezpośrednio po znieczuleniu należy codziennie sprawdzać zwierzęta, aby ocenić gojenie się ran. Zdejmij szwy 14 dni po operacji. Nacięcia te nie wymagają opatrunków. Pozostaw nacięcia do zagojenia się na 3-4 tygodnie przed rozpoczęciem ekspansji

2. Protokół inflacji

UWAGA: Czas pompowania i ilość roztworu użytego w każdym ekspanderze zależy od konkretnego badanego pytania. Aby scharakteryzować wpływ różnych geometrii ekspanderów, odpowiednim protokołem jest wykonanie pięciu kroków napełniania po 0, 2, 7, 10 i 15 dniach, aby osiągnąć objętość napełnienia odpowiednio 50, 75, 105, 165 i 225 cm3.

  1. Przed każdym etapem napompowania należy uspokoić zwierzę, podając ketaminę (4 - 6 mg/kg) i deksmedetomidynę w stężeniu 20 - 80 μg/kg.
    UWAGA: Deksmedetomidyna jest agonistą receptorów alfa-adrenergicznych, który można odwrócić za pomocą atipamezolu (1:1 objętość:objętość) w celu ułatwienia szybszego powrotu do zdrowia; Jednakże ten poziom uspokojenia może nie być wystarczający, aby zwierzę tolerowało ekspansję bez nadmiernego ryzyka wyrządzenia szkody zwierzęciu lub osobom zajmującym się pomocą. W takim przypadku należy podać znieczulenie ogólne, podając izofluran przez wentylację maski po indukcji ketaminy/acepromazyny.
  2. Przymocuj dwie plastikowe elastyczne taśmy miernicze do skóry zwierzęcia za pomocą taśmy chirurgicznej. Umieść taśmę mierniczą między kratkami po lewej i prawej stronie.
  3. Umieść zwierzę na boku i zdobądź 30 zdjęć sceny pod jak największą liczbą różnych kątów.
    UWAGA: Celem jest uchwycenie geometrii dwóch siatek widocznych, gdy zwierzę kładzie się na jednej stronie.
    1. Najpierw ustaw aparat nad zwierzęciem i pochyl się w stronę ogonową, aby uchwycić ujęcie, w którym wytatuowane siatki są w pełni widoczne i wypełniają kadr.
    2. Poruszaj się po okręgu wokół zwierzęcia po łuku od kierunku ogonowego do rostralnego, robiąc po drodze zdjęcia, upewniając się, że na każdym zdjęciu wytatuowane siatki, które są widoczne, pojawiają się w całości w kadrze.
      1. Jednocześnie staraj się maksymalizować przestrzeń, jaką zajmują siatki w kadrze. Idealne ujęcie uchwyciłoby plecy zwierzęcia z wytatuowanymi siatkami i tylko małymi obszarami tła.
    3. Następnie ustaw aparat w kierunku strony brzusznej, aby uchwycić kąt ujęcia w przybliżeniu równoległy do podłoża i zrób zdjęcia w łuku od okolicy brzusznej do grzbietowej.
      UWAGA: Liczba zdjęć nie jest wartością ustaloną . Aby uzyskać dobrą rekonstrukcję, każdy punkt na wytatuowanej siatce powinien znajdować się na co najmniej 3 zdjęciach; Łącznie 30 fotografii to ilość wystarczająca do udanej rekonstrukcji geometrii.
  4. Umieść zwierzę po przeciwnej stronie i zrób 30 zdjęć dwóch pozostałych siatek, wykonując te same czynności, które opisano powyżej.
  5. Wykonaj krok napełniania, znajdując zdalny port napełniania i wstrzykując wymaganą ilość roztworu soli fizjologicznej odpowiadającą interesującemu Cię protokołowi ekspansji. Używaj sterylnego 0,9% soli fizjologicznej do wstrzykiwań.
    1. Zlokalizuj porty i przygotuj skórę zwierzęcia chusteczkami nasączonymi alkoholem izopropylowym. Uzyskaj dostęp do portu za pomocą sterylnej igły motylkowej o rozmiarze 25 dołączonej do strzykawki wypełnionej sterylnym solą fizjologiczną do wstrzykiwań.
      UWAGA: Jak opisano powyżej, porty są tunelowane podskórnie do pozycji na przednim grzbiecie linii środkowej podczas umieszczania ekspandera.
    2. Wstrzyknąć żądaną ilość roztworu soli fizjologicznej. Proszę zapoznać się z uwagą na początku tej sekcji, aby zapoznać się z objętościami inflacji wstrzykiwanymi na każdym etapie procesu rozbudowy.
  6. Powtórz kroki pozyskiwania zdjęć po inflacji.
  7. Gdy protokół inflacji jest gotowy, poddaj zwierzęta eutanazji.
    1. Podać znieczulenie ogólne, dostarczając izofluran przez wentylację maski po indukcji ketaminy/acepromazyny. Oceń głębokość znieczulenia, monitorując odruch powiekowy. Monitoruj również parametry życiowe (tętno, temperaturę ciała, częstość oddechów i/lub reakcję na szczypanie kleszczami tkankowymi).
    2. Poddać zwierzę eutanazji przez dożylne przedawkowanie pentobarbitalu 90 - 100 mg/kg. Po przedawkowaniu pentobarbitalu w celu eutanazji należy potwierdzić zgon przy braku wykrywalnego bicia serca za pomocą pulsoksymetru i badania palpacyjnego pulsu, a także braku spontanicznych oddechów.

3. Rekonstrukcja stereo w wielu widokach

  1. Skorzystaj z dostępnego na rynku oprogramowania, aby przesłać pliki graficzne i zrekonstruować modele geometryczne.
    1. Uruchom oprogramowanie MVS w przeglądarce i zaloguj się.
    2. Wybierz Zdjęcie do 3D w lewym górnym rogu.
    3. Kliknij przycisk Dodaj zdjęcia, przejdź do lokalizacji, w której znajdują się obrazy, a następnie ręcznie wybierz 30 zdjęć odpowiadających jednemu modelowi.
    4. Nazwij model i kliknij przycisk Utwórz
    5. Poczekaj na utworzenie modelu. Może to potrwać kilka minut. Kliknij pulpit nawigacyjny po prawej stronie, aby wrócić do oryginalnej strony docelowej oprogramowania.
      UWAGA: Na pulpicie nawigacyjnym wyświetlane są reprezentatywne obrazy modeli geometrycznych, które zostały utworzone przez użytkownika.
    6. Umieść kursor na modelu, który właśnie został utworzony. Umieść kursor w prawym dolnym rogu obrazu modelu. Kliknij pliki do pobrania i wybierz obj.

4. Dopasowanie powierzchni splajnu

  1. Użyj oprogramowania open source do przetwarzania modeli geometrycznych.
  2. Kliknij File->Import->obj, aby zaimportować plik wygenerowany za pomocą oprogramowania MVS. Na dole widoku 3D kliknij Cieniowanie rzutni i wybierz Tekstura. Poszukaj zakładki po prawej stronie widoku 3D z podmenu: Przekształć, Ołówek tłuszczowy, Widok, Ołówek 3D itp. Kliknij Cieniowanie i wybierz Bezcieniowy.
  3. Kliknij prawym przyciskiem myszy geometrię, aby ją wybrać. U dołu widoku 3D wybierz opcję Tryb edycji, aby wyświetlić trójkątną siatkę.
  4. Wybierz kolejno węzły na 1 cm oznaczeniach taśmy mierniczej.
    1. Aby wybrać punkt, kliknij go prawym przyciskiem myszy i podświetl punkt. Współrzędne punktu są wyświetlane na karcie po prawej stronie widoku 3D. Wybierz i skopiuj współrzędne wybranego punktu do pliku tekstowego.
    2. Powtórz tę operację dla wszystkich punktów na 1 cm oznaczeniach taśmy mierniczej.
    3. Zrób to dla obu taśm mierniczych. Podano przykłady plików tekstowych współrzędnych: tape1.txt, tape2.txt.
      UWAGA: Jeśli w punkcie zainteresowania nie ma węzłów siatki, podziel siatkę do momentu, aż w punkcie zainteresowania znajdzie się węzeł. Aby podzielić siatkę, wybierz trzy wierzchołki trójkąta, naciskając Shift i klikając prawym przyciskiem myszy wierzchołki. Następnie kliknij przycisk Podziel na zakładce pojawiającej się po lewej stronie widoku 3D. Ta operacja dodaje trzy kolejne węzły wewnątrz wybranego trójkąta.
  5. Wybierz 11 x 11 punktów siatki i zapisz współrzędne 121 punktów w pliku tekstowym we wzorze pokazanym na rysunku 1.
    1. Analogicznie do tego, co zostało zrobione z taśmą mierniczą, aby wybrać punkt siatki, kliknij go prawym przyciskiem myszy, punkt zostanie podświetlony. Współrzędne punktu pojawią się na karcie po prawej stronie widoku 3D. Wybierz i skopiuj współrzędne wybranego punktu do pliku tekstowego
      UWAGA: Numeracja punktów siatki jest zawsze doogonowa do rostralnej i od grzbietowej linii środkowej w kierunku obszaru brzusznego. Ta kolejność gwarantuje, że przestrzeń parametrów jest spójna dla dowolnych dwóch poprawek. Jako przykład podano plik gridReference.txt, który zawiera współrzędne 121 punktów naszywki skórnej.
  6. Pobierz, skompiluj i zainstaluj biblioteki splajnów języka C++. Plik zawiera splineLibraryInstallation.txt link do kodu źródłowego bibliotek splajnów oraz instrukcje instalacji.
  7. Skompiluj kod źródłowy generateCurve.cpp wygenerowania pliku wykonywalnego generateCurve
    UWAGA: Program generateCurve musi być skompilowany tylko raz. Aby skompilować ten kod źródłowy języka C++ i wygenerować plik wykonywalny, postępuj zgodnie z instrukcjami w górnej części pliku kodu źródłowego generateCurve.cpp.
  8. Użyj programu generateCurve, aby dopasować splajny do taśmy mierniczej i do punktów siatki. Aby uruchomić plik wykonywalny w powłoce Bash, wpisz
    directory$ ./generateCurve
    1. Po uruchomieniu program poprosi użytkownika o wpisanie ścieżki do pliku zawierającego współrzędne taśmy mierniczej. Następnie program poprosi o nazwę pliku wyjściowego. Dodaj zakończenie .g2 do nazwy pliku.
      UWAGA: Zakończenie .g2 oznacza narzędzia go i jest skojarzone z bibliotekami splajnów. W tym protokole dostępne są dwa przykłady plików splajnów odpowiadających taśmom mierniczym (tape1.g2, tape2.g2).
  9. Użyj skryptu języka Python scalePoints.py, aby przeskalować punkty siatki. Uruchom program w wierszu polecenia powłoki Bash z trzema argumentami: nazwą pliku punktów siatki i nazwami plików splajnów odpowiadających taśmie mierniczej
    directory$ python scalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
    UWAGA: Skrypt scalePoints.py importuje skrypty B_spline.py i NURBS_Curve.py, dlatego wszystkie trzy skrypty muszą znajdować się w tym samym folderze.
  10. Skompiluj kod źródłowy generateSurface.cpp aby wygenerować plik wykonywalny generateSurface.
    UWAGA: Ten krok należy wykonać tylko raz. Bardziej szczegółowe instrukcje są dostępne na początku pliku kodu źródłowego generateSurface.cpp.
  11. Użyj programu generateSurface, aby dopasować powierzchnię splajnu do punktów siatki. Uruchom plik wykonywalny generateSurface na powłoki Bash
    directory$ ./generateSurface
    1. Uruchomienie programu w powłoce poprosi o nazwę pliku zawierającego przeskalowane punkty. Następnie poprosi o nazwę pliku wyjściowego. Dodaj zakończenie .g2 do nazwy pliku wyjściowego.
      UWAGA: Zakończenie .g2 jest sugerowane przez biblioteki splajnów i oznacza narzędzia go. Pliki gridReference.g2 i gridDeformed.g2 są podane jako przykłady.

5. Kwantyfikacja deformacji wywołanej ekspansją

  1. Uruchom Pythona w wierszu polecenia powłoki Bash
    directory$ python
    UWAGA: Python inicjalizuje interpreter, który jest interfejsem podobnym do powłoki, który pokaże nowe środowisko wiersza poleceń >>>
  2. Zaimportuj skrypt expansionIGA.py który zawiera funkcję o nazwie evaluateMembraneIGA
    >>> z rozszerzeniaImport IGA oceńMembranaIGA
  3. Wywołaj funkcję evaluateMembraneIGA, aby obliczyć mapy deformacji.
    UWAGA: Ta funkcja przyjmuje jako argumenty:
    Nazwa pliku powierzchni referencyjnej
    Nazwa pliku zdeformowanej powierzchni
    Rozdzielczość oceny (ile punktów jest ocenianych w każdym kierunku)
    Minimalna wartość rozciągnięcia powierzchni użyta do skalowania wykresu konturowego
    Maksymalna wartość rozciągnięcia powierzchni używana do skalowania wykresu warstwicowego
    Minimalna wartość rozciągnięcia w kierunku wzdłużnym stosowana do skalowania konturów
    Maksymalna wartość rozciągnięcia w kierunku wzdłużnym używana do skalowania konturów
    Minimalna wartość rozciągnięcia w kierunku poprzecznym używana do skalowania konturów
    Maksymalna wartość rozciągnięcia w kierunku poprzecznym używana do skalowania konturów
    Odstępy między liniami siatki na wykresie konturowym
    Nazwa pliku wyjściowego
    1. Na przykład run
      >>> evaluateMembraneIGA('gridReference.g2', 'gridDeformed.g2', 250, 3, 0.5, 2, 0.5, 2, 0.5, 25, 'deformacja')
      UWAGA: To polecenie wygeneruje i zapisze sześć plików wyjściowych. Zauważ, że ostatnim argumentem w powyższym przykładzie jest >deformacja nazwy pliku wyjściowego, dlatego pliki, które zostaną wygenerowane, to:
      deformation_theta.png: wykres konturowy obszaru stretch
      deformation_theta.txt: tabela wartości odpowiadających wykresowi konturowemu powierzchni stretch
      deformation_G1.png: wykres konturowy odcinka wzdłuż osi podłużnej zwierzęcia
      deformation_G1.txt: tabela wartości odpowiadająca wykresowi konturowemu odcinków wzdłuż osi podłużnej zwierzęcia
      deformation_G2.png: wykres konturowy składowej rozciągliwości w osi poprzecznej zwierzęcia
      deformation_G2.txt: tabela wartości odpowiadających wykresowi konturowemu składowej odcinka w osi poprzecznej zwierzęcia
      UWAGA: Nie należy mylić zakończenia plików splajnu .g2 z wektorem G2. Pliki splajnów mają końcówkę .g2 zgodnie z konwencjami nazewnictwa biblioteki splajnów. Z drugiej strony wektory G1 i G2 oznaczają kierunki podłużne i poprzeczne w stosunku do zwierzęcia.
      UWAGA: Pliki konturów są generowane z wyraźnymi cechami w czterech rogach, aby ułatwić interpretację przestrzeni parametrów: piksel: najbardziej ogonowy, najbardziej grzbietowy; Róg czerwonego piksela: najbardziej rostralny, najbardziej grzbietowy punkt; Róg zielonego piksela: najbardziej ogonowy, najbardziej brzuszny punkt; Róg niebieskiego piksela: najbardziej rostralny, najbardziej brzuszny punkt.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Ta metodologia została z powodzeniem wykorzystana do badania deformacji wywołanej przez różne geometrie ekspanderów: ekspandery prostokątów, sfer i półksiężyców 31,32. Następnie omówiono wyniki odpowiadające ekspanderom sferycznym i półksiężycowym. Rysunek 2 ilustruje trzy etapy rekonstrukcji modelu MVS. Punktem wyjścia jest zbiór fotografii ze statycznej sceny. Zwierzę z wytatuowanymi kratkami i taśmą mierniczą l...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

W tym artykule przedstawiono protokół charakteryzujący deformacje wywołane podczas procedury ekspansji tkanek w modelu świni z wykorzystaniem multi-view stereo (MVS) i kinematyki izogeometrycznej (kinematyka IGA). Podczas rozszerzania się tkanki skóra ulega dużym deformacjom, przechodząc od gładkiej i stosunkowo płaskiej powierzchni do kopuły w kształcie 3D. Skóra, podobnie jak inne błony biologiczne 34, reaguje na rozciąganie, wytwarzając nowy materiał, zwiększając powierzchnię, która może być na...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Ta praca była wspierana przez grant NIH 1R21EB021590-01A1 dla Aruna Gosaina i Ellen Kuhl.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Miniaturowa świnia z JukatanuSinclair Bioresources, Windham, MEN/A
AntybiotykiSanta Cruz Animal Health, Paso Robles, CAsc-362931RxCeftiofur, dawka 5 mg/kg domięśniowo
Mydło chirurgiczne na bazie chlorheksydynyCardinal Health, Dublin, OHAS-4CHGL(4-32)4% glukonian chlorheksydyny chirurgiczny peeling do rąk
Medium do przenoszenia tatuażu Hildbrandt Tattoo Supply, Point Roberts, WATRANSFSzablon termiczny papier do tatuażu
Lidokaina z epinefrynąACE Surgical Supply Co, Brockton, MA001-1423Lidokaina Hcl 1% (ksylokaina) - Epinefryna 1:100 000, 20 ml
BuprenorfinaZooPharm, Windsor, CO1 mg / ml o przedłużonym uwalnianiu, dawka 0,01 mg / kg domięśniowo
Aparat cyfrowySonyAlpha33Standardowy aparat cyfrowy z 18 - 35  mm obiektyw, przysłona 3.5 - 5.6. Używany w trybie automatycznym, bez lampy błyskowej
Taśma mierniczaMedline, Mundelein, IllinoisNON171330Wysuwana taśma miernicza, tkanina, plastikowa obudowa, 72 cale
Ekspandery tkankowePMT, Chanhassen, MN03610-06-024 cm x 6 cm, prostokątne, 120 cc, seria 3610 2-stopniowy ekspander tkanek ze standardowym portem
ReCap360Autodesk N/AMVS Software, Aplikacja internetowa: recap360.autodesk.com
BlenderBlender FoundationN/AComputer Graphics Software, open source: blender.org
SISLSINTEFN/AC++ biblioteki splajnów, open source: https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

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

Powiązane artykuły