Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

الكمي للسلالة في نموذج الخنزير من التوسع الجلد عن طريق متعدد ستيريو وIsogeometric الكينماتيكا

Published: April 16, 2017 doi: 10.3791/55052
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 2, 3, 2
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

Summary

يستخدم هذا البروتوكول متعددة بغية ستيريو لتوليد ثلاثي الأبعاد (3D) نماذج من متواليات لم تتم معايرتها من الصور، مما يجعلها في متناول وقابل للتعديل إلى إعداد الجراحي. وكميا الخرائط سلالة بين نماذج 3D مع الكينماتيكا isogeometric القائم على الشريحة، التي تسهل تمثيل الأسطح الملساء على تنسجم الخشنة تقاسم نفس المعايير والثوابت.

Introduction

توسيع الأنسجة هو تقنية شائعة في البلاستيك وجراحة الجلد الذي ينمو في الجسم الحي لتصحيح العيوب الجلدية الكبيرة 1. نيومان، في عام 1957، وكان أول جراح لتوثيق هذا الإجراء. وزرع بالون تحت جلد المريض وتضخم بشكل تدريجي على مدى عدة أسابيع لزراعة أنسجة جديدة وتطفو على السطح الأذن 2. الجلد، مثل معظم الأنسجة البيولوجية، تتكيف مع قوات التطبيقية والتشوهات من أجل الوصول إلى التوازن الميكانيكي. عندما امتدت إلى ما بعد النظام الفسيولوجي، والجلد ينمو 3 و 4. واحدة من المزايا الرئيسية لتوسيع الأنسجة هو إنتاج الجلد مع الأوعية الدموية السليم ونفس تأثير الشعر، الخواص الميكانيكية واللون والملمس مثل الأنسجة المحيطة 5.

بعد إطلاقها قبل ستة عقود، expansio الجلداعتمد ن على نطاق واسع من البلاستيك والجراحين ويستخدم في الوقت الحاضر لتصحيح الحروق والتشوهات الخلقية كبيرة، واعادة بناء الثدي بعد استئصال الثدي 6 و 7. ومع ذلك، وعلى الرغم من استخدامه على نطاق واسع، يمكن أن الإجراءات توسع الجلد يؤدي إلى مضاعفات 8. ويرجع هذا جزئيا إلى عدم وجود أدلة كافية الكمي اللازمة لفهم ميكانيكا الأحياء الأساسي من إجراء وتوجيه الجراح خلال التخطيط قبل الجراحة 9 و 10 هذا. المعايير الأساسية في هذه التقنية هي معدل الملء، وملء حجم في التضخم، واختيار شكل وحجم المتوسع، ووضع الجهاز 11 و 12. التخطيط قبل الجراحة الحالي يعتمد إلى حد كبير على خبرة الطبيب، مما أدى إلى مجموعة واسعة من بروتوكولات التعسفية التي غالبا ما تختلف greatlص 13 و 14 و 15.

لمعالجة الفجوات المعرفية الحالية، نقدم بروتوكول تجريبي لقياس تشوه الناجم عن التوسع في نموذج حيواني الخنازير التوسع الأنسجة. يعتمد بروتوكول بشأن استخدام متعددة بغية ستيريو (MVS) لإعادة بناء ثلاثية الأبعاد (3D) وهندستها من متواليات من ثنائي الأبعاد (2D) وصور مع مواقف الكاميرا غير معروفة. توظيف المفاتيح، تمثيل الأسطح الملساء يؤدي إلى حساب خرائط تشوه المقابلة عن طريق ل(IGA) وصف isogeometric. ويستند التحليل للهندسة على الإطار النظري لميكانيكا متصلة من الأغشية وجود المعايير والثوابت واضح 16.

تميز من الناحية الفسيولوجية التشوهات ذات الصلة من المواد على مدى فترات طويلة من الزمن يعيش ما زال مشكلة صعبة. استراتيجيات مشتركة لتصوير الأنسجة البيولوجية تشمل مجسمة ارتباط الصورة الرقمية، وأنظمة التقاط الحركة التجارية مع علامات عاكسة، والفيديو ذات السطحين التنظير 17 و 18 و 19. ومع ذلك، هذه التقنيات تتطلب الإعداد التجريبية تقييدا، غالية عموما، واستخدمت أساسا لخارج الجسم الحي أو حدة في إعدادات الجسم الحي. الجلد لديه ميزة كونها بنية رقيقة. على الرغم من أنه يتكون من عدة طبقات، الأدمة هي المسؤولة إلى حد كبير عن الخواص الميكانيكية للأنسجة وبالتالي تشوه السطح من أهمية قصوى 20؛ الافتراضات kinematical معقولة ويمكن إجراء بشأن من تشوه الطائرة 21 و 22. وعلاوة على ذلك، يتعرض الجلد بالفعل مع البيئة الخارجية، مما يجعل من الممكن استخدام أدوات التصوير التقليدية للقبض على هندسته. Hيحرث نقترح استخدام MVS كنهج بأسعار معقولة ومرنة لمراقبة تشوهات في الجسم الحي من الجلد على مدى عدة أسابيع دون التدخل مجورلي مع بروتوكول توسيع الأنسجة. MVS هو الاسلوب الذي يستخرج تمثيل 3D من أشياء أو مشاهد من مجموعة من الصور 2D مع كاميرا غير معروفة زوايا 23. فقط في السنوات الثلاث الماضية، ظهرت العديد من المدونات التجارية (انظر قائمة المواد على سبيل المثال). دقة عالية لإعادة بناء نموذج مع MVS مع وجود أخطاء منخفضة تصل إلى 2٪ 24، ويجعل هذا النهج مناسبة لتوصيف الحركية من الجلد في الجسم الحي على مدى فترات طويلة من الزمن.

للحصول على خرائط تشوه المقابلة من الجلد أثناء توسيع الأنسجة، وتتم مطابقة نقطة بين أي اثنين من تكوينات هندسية. تقليديا، وقد استخدم الباحثون في الميكانيكا الحيوية الحاسوبية تنسجم العناصر المحدودة والتحليل العكسي لاسترداد خريطة تشوه25، 26. النهج IGA المستخدمة هنا يستخدم وظائف أساس خدد التي تقدم العديد من المزايا لتحليل أغشية رقيقة 27 و 28. وهي توفر متعددو درجة عالية يسهل تمثيل هندستها سلسة حتى تنسجم مع الخشنة جدا 29 و 30. بالإضافة إلى ذلك، فمن الممكن لتناسب نفس المعايير والثوابت الأساسية لجميع البقع السطحية، التي تلتف حول ضرورة وجود مشكلة عكسية لحساب discretizations غير مطابقة.

الطريقة الموصوفة هنا يفتح آفاقا جديدة لدراسة الميكانيكا الجلد في صلة في إعدادات الجسم الحي على مدى فترات طويلة من الزمن. وبالإضافة إلى ذلك، فإننا نأمل أن منهجيتنا هي خطوة تمكن نحو الهدف النهائي المتمثل في تطوير الأدوات الحسابية للتخطيط العلاج شخصية في إعداد سريرية. </ P>

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ويشمل هذا البروتوكول التجارب على الحيوانات. وتمت الموافقة على البروتوكول من قبل الاتحاد الدولي للرجبي في آن ومستشفى روبرت H. لوري الأطفال في مركز أبحاث شيكاغو رعاية الحيوان واستخدام اللجنة لضمان المعاملة الإنسانية للحيوانات. وقد نشرت نتائج دراستين التوسع باستخدام هذا البروتوكول في أماكن أخرى 16، 31.

تنفيذ هذا البروتوكول يتطلب فريقا من ذوي الخبرة التكميلية. الجزء الأول من بروتوكول يصف العملية الجراحية على نموذج حيواني، والتي تتطلب موظفين مع التدريب الطبي المناسب. تحليل لاحقة، وخاصة القسمين 4 و 5، تشمل مهارات البرمجة الأساسية لاستخدام الحاسوب في C ++ وبايثون، واستخدام قذيفة سطر الأوامر.

1. إجراء العمليات الجراحية للالمتوسع التنسيب

ملاحظة: الموظفين المشاركين في العملية يجب أن تغسل وgowned بطريقة عقيمة. STERILيتم تطبيق المناشف الإلكترونية والستائر حول الجراحي الميداني للحفاظ على عقم. يتم استلام جميع الصكوك، الغرز، وموسعات الأنسجة في التعبئة والتغليف المعقم والتعامل معها إلا من خلال أفراد عقيمة. عقم الموقع المنطوق يجب ألا تنتهك حتى اكتمال العملية.

  1. تأقلم الخنازير يوكاتان الذكور عمرها شهر واحد-مصغرة في السكن القياسية لمدة أسبوع واحد، وإطعام الإرضاع بحسب الرغبة.
  2. في يوم من جراحة، تخدير الحيوان باستخدام الكيتامين / آسيبرومازين لتحريض (4-6 ملغ / كلغ)، ثم الأيزوفلورين للصيانة. تقييم عمق التخدير عن طريق رصد منعكس الجفن. أيضا، ومراقبة العلامات الحيوية (معدل ضربات القلب، درجة حرارة الجسم ومعدل التنفس، و / أو استجابة لقرصة بواسطة ملقط الأنسجة). تطبيق مرهم للعين للعيون للحماية من خدش القرنية.
  3. إدارة المضادات الحيوية قبل الإجرائية وتنظيف البشرة بالصابون ظهري الجراحية القائم على الكلورهيكسيدين. نقل أربعة 10 × 10 سم 2 الشبكات، اثنين على كل جانب منالحيوان، مع علامات خط 1 سم إلى جلد الخنزير باستخدام نقل الوشم المتوسطة. شبكات تتوافق مع المناطق الأربع التالية: منقاري الأيسر، منقاري الصحيح، الذيلية الأيسر، والذيلية الصحيح. استخدام قالب مع إشارة خط الوسط لضمان وضع متماثل من أنماط الشبكة.
    1. إنشاء الشبكات على الورق عن طريق تتبع الشبكة تحدد بشكل كبير مع قلم. غسل المنطقة على الحيوان حيث الشبكة هي لتوضع مع ايزوبروبيل فرك الكحول.
    2. تطبيق الشبكة (الجانب قلم الحبر لأسفل) مباشرة على الجلد. يقدم الكحول لعلقة بعض من الحبر من الورق، وتحويل الشبكة إلى جلد الحيوان.
  4. حقن مخدر موضعي (1٪ ليدوكائين مع 1: 100،000 ادرينالين) تحت الجلد في موقع كل شق المخطط لها.
  5. إجراء شق على جانبي الحيوان في منتصف بين الشبكتين.
    ملاحظة: يتم وضع الشقوق على الجانب الأيسر والأيمن من الحيوان بين شبكات 2 علىهذا الجانب. هناك يسار جانب شق وشق جانب الحق
  6. استخدام مرقئ لتطوير نفق تحت الجلد تحت شبكة من المصالح. بعد تطوير النفق، إدراج المتوسع تحت الشبكة.
    توضع الأنفاق تحت أي الشبكة التي سيكون لها المتوسع الأنسجة: ملاحظة.
  7. وضع ميناء التضخم المتوسع عن بعد من خلال نفق تحت الجلد وضعت بطريقة مماثلة على طول خط الوسط الظهرية للحيوان. الجروح إصلاح من قبل خياطة.
  8. بعد العمل الجراحي، علاج الحيوان مع المضادات الحيوية الوقائية (سيفتيوفور 5 ملغ / كغ IM مرة واحدة)، وكذلك المسكنات (البوبرينورفين 0،05-0،1 ملغ / كلغ) عن طريق الحقن العضلي كل 12 ساعة لمدة 4 جرعات، مع جرعات إضافية لدليل على محنة الحيوانات.
  9. مراقبة الحيوانات بشكل مستمر لمدة 2 ساعة بعد الجراحة، بما في ذلك قياس الروتيني للعلامات الحيوية حتى أنهم استأنفوا التمشي وتكون قادرة على الحفاظ على سوائية الحرارة. بيت الحيوان في قفص منفصل ورصد حتى طتي غير قادرة على المشي بشكل مستقل على جميع الساقين 4 قبل تحويلها إلى منطقة سكنية عادية وتركها دون حراسة.
  10. بعد فترة فورية الانتعاش بعد التخدير، والتحقق من الحيوانات يوميا لتقييم التئام الجروح. إزالة الغرز 14 يوما بعد العمل الجراحي. لا تتطلب هذه الشقوق الضمادات. ترك شقوق للشفاء لمدة 3 - 4 أسابيع قبل بداية التوسع

بروتوكول 2. التضخم

ملاحظة: توقيت التضخم وكمية من المحلول المستخدم في كل المتوسع تعتمد على السؤال المحدد قيد الدراسة. لتوصيف تأثير هندستها المتوسع مختلفة، وبروتوكول مناسب لأداء خمس خطوات التضخم في 0، 2، 7، 10، و 15 يوما للتحقيق أحجام ملء 50، 75، 105، 165، و 225 سم مكعب على التوالي.

  1. قبل كل خطوة التضخم، رزين والكيتامين بالإدارة الحيوان (4-6 ملغ / كلغ) وديكسميديتوميدين في 20-80 ميكروغرام / كغ.
    ملاحظة: ديكسميديتوميدين هون ألفا الأدرينالية ناهض التي يمكن عكسها مع atipamezole (1: 1 حجم: حجم) لتسهيل سرعة الشفاء. ومع ذلك، قد لا يكون هذا المستوى من التخدير المناسب للحيوان على تحمل التوسع دون خطر لا مبرر له من أذى للحيوان أو معالجات. إذا كان هذا هو الحال، إدارة التخدير العام من خلال تقديم الأيزوفلورين عبر التهوية قناع التالية تحريض الكيتامين / آسيبرومازين.
  2. نعلق اثنين من التدابير الشريط مرنة من البلاستيك لجلد الحيوان باستخدام الشريط الجراحية. وضع تدابير الشريط بين شبكات على الجانبين الأيمن والأيسر.
  3. وضع الحيوان على جانب واحد والحصول على 30 صور للمشهد من أكبر عدد ممكن من زوايا مختلفة ممكن.
    ملاحظة: الهدف هو الاستيلاء على هندسة اثنين شبكات مرئية عند الحيوان وضعوا على جانب واحد.
    1. أولا، ضع الكاميرا فوق الحيوان ويميل نحو الجانب الذيلية، لالتقاط لقطة حيث شبكات وشم واضحة تماما وملء الإطار.
    2. Mاوفه في نمط دائري حول الحيوان في قوس من الذيلية لاتجاه منقاري، التقاط الصور على طول الطريق، وضمان، على كل صورة، وشبكات وشم التي هي واضحة تظهر تماما في الإطار.
      1. في نفس الوقت، في محاولة لتحقيق أقصى قدر من المساحة التي تحتل الشبكات في الإطار. سيكون من تسديدة المثالي التقاط الجزء الخلفي من الحيوان مع شبكات وشم وإلا مناطق صغيرة من الخلفية.
    3. بعد ذلك، وضع الكاميرا على الجانب البطني لالتقاط زاوية اطلاق النار الذي تم موازية تقريبا على الأرض، وأخذ صور فوتوغرافية في قوس من بطني في المنطقة الظهرية.
      ملاحظة: كمية من الصور ليست قيمة ثابتة. لإعادة الإعمار جيد، يجب أن تكون كل نقطة على الشبكة وشم في لا يقل عن 3 صور فوتوغرافية، 30 صور في المجموع هي كمية كافية لنجاح إعادة الإعمار الهندسة.
  4. وضع الحيوان على الجانب الآخر، ويستغرق 30 صور للاثنينشبكات المتبقية باتباع نفس الخطوات المذكورة أعلاه.
  5. تنفيذ الخطوة التضخم من خلال إيجاد ميناء ملء النائية وحقن المبلغ المطلوب من محلول ملحي المقابلة لبروتوكول توسيع الفائدة. استخدام معقم 0.9٪ المالحة عن طريق الحقن.
    1. تحديد الموانئ والإعدادية على جلد الحيوان مع مناديل ايزوبروبيل. الوصول إلى المنفذ مع العقيمة عيار 25 إبرة فراشة تعلق على حقنة مليئة المالحة عن طريق الحقن المعقمة.
      ملاحظة: كما هو موضح أعلاه، نفق الموانئ تحت الجلد إلى موقف على ظهر خط الوسط الأمامي خلال وضع المتوسع.
    2. ضخ المبلغ المطلوب من محلول ملحي. يرجى الرجوع إلى الملاحظة في بداية هذا الباب لأحجام التضخم حقن في كل خطوة من عملية التوسع.
  6. كرر الخطوات اكتساب صورة بعد التضخم.
  7. وبمجرد أن بروتوكول التضخم كاملة، الموت ببطء الحيوانات.
    1. إدارة عامةالتخدير عن طريق تقديم الأيزوفلورين عبر التهوية قناع التالية تحريض الكيتامين / آسيبرومازين. تقييم عمق التخدير عن طريق رصد منعكس الجفن. أيضا، ومراقبة العلامات الحيوية (معدل ضربات القلب، درجة حرارة الجسم ومعدل التنفس، و / أو استجابة لقرصة مع ملقط الأنسجة).
    2. الموت ببطء الحيوانية جرعة زائدة من الوريد بنتوباربيتال 90-100 ملغم / كغم. بعد جرعة زائدة بنتوباربيتال للقتل الرحيم، تأكيد وفاة بسبب عدم وجود ضربات القلب يمكن كشفها باستخدام مقياس التأكسج النبض وملامسة نبض فضلا عن عدم وجود التنفس التلقائي.

3. الرأي المتعدد التعمير ستيريو

  1. استخدام البرمجيات المتاحة تجاريا لتحميل ملفات الصور وإعادة بناء النماذج الهندسية.
    1. إطلاق برنامج MVS على المتصفح وتسجيل الدخول.
    2. تحديد صور إلى 3D في أعلى الزاوية اليسرى.
    3. انقر إضافة الصور، انتقل إلى موقع الدردشةالأعمار ويدويا حدد 30 صور المقابلة لنموذج واحد.
    4. اسم النموذج وانقر على إنشاء
    5. الانتظار للنموذج المراد إنشاؤه. هذا يمكن أن يستغرق عدة دقائق. انقر لوحة القيادة على الحق في العودة إلى الصفحة المقصودة الأصلية من البرنامج.
      ملاحظة: تظهر لوحة القيادة صور تمثيلية من النماذج الهندسية التي تم إنشاؤها من قبل المستخدم.
    6. ضع المؤشر على النموذج الذي توا بإنشائه. ضع المؤشر في الزاوية اليمنى السفلى من الصورة النموذجية. انقر التنزيلات وتحديد الكائنات.

4. المفتاح صالح السطح

  1. استخدام البرمجيات مفتوحة المصدر لمعالجة النماذج الهندسية.
  2. انقر ملف> للاستيراد و> الكائنات لاستيراد الملف الذي تم إنشاؤه من برنامج MVS. في الجزء السفلي من مشاهدة 3D انقر على إطار العرض تظليل وسيليط م الملمس. ابحث عن علامة على حق عرض 3D مع القوائم الفرعية: تحويل، الشحوم قلم رصاص، عرض، قلم رصاص 3D، الخ انقر على تظليل واختر Shadeless.
  3. انقر بزر الماوس الأيمن على هندسة لتحديده. في الجزء السفلي من مشاهدة 3D اختر تعديل وضع تصور شبكة الثلاثي.
  4. اختر واحدا تلو الآخر العقد على سم علامات 1 من شريط قياس.
    1. لتحديد نقطة، انقر على الحق في ذلك، وتسليط الضوء على هذه النقطة. إحداثيات نقطة تظهر على علامة على الجانب الأيمن للمشاهدة 3D. تحديد ونسخ إحداثيات نقطة المحدد إلى ملف نصي.
    2. كرر هذه العملية لجميع النقاط على سم علامات 1 من شريط قياس.
    3. هل هذا لكل من التدابير الشريط. أمثلة على تنسيق الملفات النصية هي توفيرد: tape1.txt، tape2.txt.
      ملاحظة: إذا لم يكن هناك عقد للشبكة على نقطة من الفائدة، وتقسيم شبكة حتى يكون هناك عقدة على نقطة الاهتمام. لتقسيم شبكة حدد القمم الثلاث للمثلث طريق الضغط على مفتاح Shift والنقر بزر الماوس الأيمن على القمم. ثم انقر على زر تقسيم فرعي للمجموعة على علامة التبويب التي تظهر على الجانب الأيسر من عرض 3D. وتضيف هذه العملية ثلاث عقد مزيد من داخل المثلث المحدد.
  5. حدد 11 × 11 نقطة من الشبكة وحفظ إحداثيات 121 نقطة إلى ملف نصي في نمط هو مبين في الشكل (1).
    1. بالقياس إلى ما تم إنجازه للتدابير الشريط، لتحديد نقطة من الشبكة، انقر بزر الماوس الأيمن على ذلك، سيتم تسليط الضوء على هذه النقطة. إحداثيات النقطة سوف تظهر على علامة على الجانب الأيمن للمشاهدة 3D. تحديد ونسخ إحداثيات نقطة المحدد إلى ملف نصي
      ملاحظة: ترقيم نقاط الشبكة هو ALWالذيلية آيس لمنقاري ومن خط الوسط ظهري تجاه المنطقة البطنية. هذا الترتيب يضمن أن المساحة المعلمة يتسق لأي اثنين من البقع. وكمثال على ذلك، يتم توفير gridReference.txt الملف الذي يحتوي على إحداثيات 121 نقطة من رقعة الجلد.
  6. تحميل، تجميع وتركيب المكتبات شريحة C ++. يحتوي على splineLibraryInstallation.txt ملف الارتباط إلى رمز مصدر مكتبات خدد وتعليمات التثبيت.
  7. ترجمة generateCurve.cpp شفرة المصدر لتوليد generateCurve للتنفيذ
    ملاحظة: generateCurve البرنامج يحتاج فقط ليتم تجميعها مرة واحدة. لجمع هذه C ++ شفرة المصدر وتوليد قابل للتنفيذ اتبع الإرشادات في الجزء العلوي من ملف التعليمات البرمجية المصدر generateCurve.cpp.
  8. استخدام generateCurve برنامج لتناسب شرائح للتدابير الشريط ونقاط الشبكة. لتشغيل قابل للتنفيذ في Bالرماد قذيفة، نوع
    الدليل $ ./generateCurve
    1. على تشغيل البرنامج، وسوف يطلب من المستخدم لكتابة المسار إلى الملف الذي يحتوي على إحداثيات شريط قياس. ثم سيسألك البرنامج عن اسم لملف الإخراج. إضافة .g2 إنهاء إلى اسم الملف.
      ملاحظة: إنهاء .g2 لتقف على أدوات الذهاب، ويرتبط إلى مكتبات سين. تتوفر مع هذا البروتوكول (tape1.g2، tape2.g2) مثالين من الملفات خدد الموافق التدابير الشريط.
  9. استخدام البرنامج النصي scalePoints.py بيثون لقياس نقاط الشبكة. تشغيل البرنامج في باش قذيفة موجه مع ثلاث حجج: اسم الملف من نقاط الشبكة وأسماء الملفات من المفاتيح المقابلة لتدابير الشريط
    الدليل $ الثعبان scalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
    ملاحظة: البرنامج النصي scalePoints.py تستورد البرامج النصية B_spline.py وNURBS_Curv e.py، لذلك يجب أن تكون كافة النصوص الثلاثة في نفس المجلد.
  10. ترجمة generateSurface.cpp شفرة المصدر لتوليد generateSurface قابل للتنفيذ.
    ملاحظة: يحتاج هذا الخطوة فقط إلى أن يتم ذلك مرة واحدة. تتوفر تعليمات أكثر تفصيلا في بداية ملف التعليمات البرمجية المصدر generateSurface.cpp.
  11. استخدام generateSurface برنامج لتناسب سطح شريحة لنقاط الشبكة. تشغيل generateSurface للتنفيذ على باش قذيفة
    الدليل $ ./generateSurface
    1. سوف تشغيل البرنامج في قذيفة تسأل عن اسم الملف الذي يحتوي على نقطة تحجيمها. بعد ذلك سوف تسأل عن اسم ملف الإخراج. إضافة .g2 إنهاء إلى اسم الملف الناتج.
      ملاحظة: اقترح .g2 إنهاء من قبل المكتبات شريحة وتقف على أدوات الذهاب. يتم توفير الملفات gridReference.g2 وgridDeformed.g2 على سبيل المثال.
itle "> 5. الكمي من التشوه الناجم عن التوسع

  1. بدء بيثون في باش قذيفة موجه
    الدليل $ الثعبان
    ملاحظة: بيثون تهيئة المترجم، الذي هو واجهة مشابهة لقذيفة من شأنها أن تظهر بيئة سطر الأوامر الجديدة >>>
  2. استيراد النصي expansionIGA.py الذي يحتوي على وظيفة تسمى evaluateMembraneIGA
    >>> من evaluateMembraneIGA استيراد expansionIGA
  3. استدعاء evaluateMembraneIGA دالة لحساب خرائط تشوه.
    ملاحظة: تحتاج هذه الدالة كوسائط:
    اسم الملف من سطح المرجعية
    اسم الملف من سطح مشوه
    قرار من التقييم (عدد النقاط يتم تقييمها في كل اتجاه)
    قيمة الحد الأدنى من امتداد منطقة تستخدم لقياس مؤامرة كفاف
    الحد الأقصى لقيمة تمتد منطقة تستخدم لقياس مؤامرة كفاف
    قيمة الحد الأدنى من التمدد في الاتجاه الطولي لناإد لتوسيع نطاق معالم
    الحد الأقصى لقيمة تمتد في الاتجاه الطولي المستخدمة لقياس محيط
    قيمة الحد الأدنى من التمدد في الاتجاه العرضي تستخدم لقياس محيط
    الحد الأقصى لقيمة تمتد في الاتجاه العرضي تستخدم لقياس محيط
    التباعد بين خطوط الشبكة في المؤامرة كفاف
    ضع اسم الملف
    1. على سبيل المثال، تشغيل
      >>> evaluateMembraneIGA ( 'gridReference.g2'، 'gridDeformed.g2، 250، 3، 0.5، 2، 0.5، 2، 0.5، 25،' تشويه ')
      ملاحظة: هذا الأمر توليد وحفظ ستة ملفات الإخراج. لاحظ أن الوسيطة الأخيرة في المثال أعلاه هو تشوه الناتج اسم الملف، وبالتالي، فإن الملفات التي سيتم إنشاء هي:
      مؤامرة كفاف من امتداد المنطقة: deformation_theta.png
      deformation_theta.txt: جدول القيم المقابلة لمؤامرة كفاف من امتداد المنطقة
      مؤامرة كفاف من ألون امتداد: deformation_G1.pngز المحور الطولي للحيوان
      deformation_G1.txt: جدول القيم المقابلة لمؤامرة كفاف من تمتد على طول المحور الطولي للحيوان
      مؤامرة كفاف من المكون تمتد في محور عرضية من الحيوان: deformation_G2.png
      deformation_G2.txt: جدول القيم المقابلة لمؤامرة كفاف من مكونات تمتد في المحور العرضي للحيوان
      ملاحظة: لا تخلط بين إنهاء الملفات سين، .g2، مع G2 النواقل. ملفات خدد قد تنتهي .g2 التالية اصطلاحات التسمية من المكتبة سين. من ناحية أخرى، G1 و G2 ناقلات دلالة على الاتجاهات الطولي والعرضي مع الاحترام للحيوان.
      ملاحظة: يتم إنشاء ملفات كفاف مع سمات مميزة في الزوايا الأربع لتسهيل تفسير الفضاء المعلمة: أسود بكسل: معظم الذيلية، النقطة الأكثر الظهرية. الحمراء بكسل الزاوية: موسر منقاري، النقطة الأكثر الظهرية. بكسل الخضراء الزاوية: معظم الذيلية، ومعظم نقطة بطني. الزرقاء بكسل الزاوية: الأكثر منقاري، النقطة الأكثر بطني.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

واستخدمت هذه المنهجية بنجاح لدراسة تشوه الناجمة عن مختلف هندستها المتوسع: المستطيل، المجال وموسعات الهلال 31 و 32. وتناقش نتائج المقابلة لمجال والهلال موسعات المقبل. ويوضح الشكل 2 الخطوات الثلاث من MVS إعادة الإعمار نموذج. نقطة البداية هي عبارة عن مجموعة من الصور من مشهد ثابت. الحيوان مع شبكات وشم والتدابير الشريط كان الكذب لا يزال كما تم التقاط الصور من زوايا مختلفة. الميزات MVS خوارزمية مطابقة بين الصور لاستخراج تنسق 3D. ونتيجة لذلك، تم إنشاء نموذج هندسي يتكون من شبكة الثلاثي مع الملمس.

بروتوكول الموصوفة هنا يمكن أن تستخدم لتحقيق مختلف جوانب عملية توسيع الأنسجة. الاختلافاتفي سلالات الإقليمية الناجمة عن المجال والهلال موسعات هو أحد الجوانب الهامة في عملية التوسع نظرا لأنه يؤدي إلى الاختلافات الإقليمية في كمية الجلد نمت. امتلأت كلا الجهازين على نفس الحجم في كل نقطة زمنية. تم إجراء خمس خطوات التضخم في 0، 2، 7، 10، و 15 يوما لتوليد كميات ملء 50، 75، 105، 165، و 225 سم مكعب. ويبين الشكل 3 صور للشبكات الجلد موسع في نهاية كل خطوة التضخم. امتدت موسعات الجلد وكان تشويه واضح من قبل تشويه الشبكة مع مرور الوقت.

لكل تكوين شبكة ولدت على سطح الشريحة كما هو موضح في قسم البروتوكول. حسبت التشوهات عن طريق اختيار المرجعية وشبكة مشوه كما هو موضح في الشكل (1). وتناقش نتائج نوعين مختلفين من التحليلات هنا. لدراسة تشوه المزمن، وقد تم اختيار الخنزير في اليوم 0 كما رانه مرجع التكوين وبالمقارنة مع كل نقطة زمنية أخرى. مقارنة نهاية كل خطوة التضخم الى نتائج التكوين الإشارة في المؤامرات كفاف هو مبين في الشكل (4). منهجية المعروضة هنا مقتطفات ثلاثة تدابير من التشوه. وتشير الى تغيير منطقة θ، ويطلق تمتد في الاتجاه الطولي λ G1، G2 وλ هو امتداد في الاتجاه العرضي، كما هو مبين في الشكل (1). وصفت تطور التغييرات المنطقة، وتمتد في الاتجاهين المتعامدة لالمجال والهلال موسعات في الشكل (4). الأسطح خدد على نحو سلس عموما، وبالتالي كانت المؤامرات كفاف المقابلة على نحو سلس. ومع ذلك، فقد يدل على خشونة شبكة من الخطوط العريضة التي أظهرت ملامح الفور. ومن شأن شبكة أدق زيادة الاخلاص من الخرائط تشوه. ومع ذلك، فإن الاختلافات بين هندستها المتوسع مختلفة على الفور appareالإقليم الشمالي وقابلة للقياس الكمي. على الرغم من أن امتلأت كل من موسعات لنفس الحجم، والمتوسع كروية يسببها تشوه أكبر. كشف التباين المكاني للالمؤامرات كفاف أن الجلد كان امتدت أكثر في وسط المتوسع مقارنة مع المحيط الخارجي للشبكة. وتتلخص النتائج في الجدول 1.

يتألف تحليل الثانية لتحديد تشوه حاد في كل خطوة التضخم. في هذه الحالة، كان التكوين إشارة الشبكة قبيل التوسع، وكان الشبكة مشوه أنه فور الخطوة التضخم. وكانت التشوهات التي يسببها في كل خطوة التضخم متشابهة بشكل ملحوظ في المتوسط ​​بين نقاط زمنية مختلفة. ويرد ملخص في الجدول 2. وفي المتوسط، كان تشوه بالقرب 1 (حيث 1 سيكون غياب تشوه). التفتيش على الخرائط الكنتورية هو مبين في الشكل (5) عرضت الاختلافات المكانية واضحة. حتى ولو كان هناك تقريبا أي تشوه في المتوسط، وامتدت بعض مناطق الشبكة بينما تقلصت مع الآخرين فيما يتعلق بالإشارة. وعلى غرار تحليل تشوه المزمن، وكانت مناطق وسط تلك الضغوط التي تواجهها أكثر من غيرها.

في الحالات الحادة والمزمنة على حد سواء، وأظهرت تمتد الطولي والعرضي اتجاه واضح يدل على تباين. الجلد، حيث أن معظم الأنسجة الكولاجينية، يظهر اتجاه الألياف فضل المساهمة في متباين الخواص الميكانيكية استجابة 25. في حالة الجلد في الجزء الخلفي من خنزير، ويعتقد أن الألياف إلى الانحياز بالعرض 33. أظهرت تجاربنا أنه خلال توسيع الجلد، وكانت تمتد في الاتجاهات الطولية دائما أكبر من تلك التي على الاتجاه العرضي. وينطبق ذلك على كل من المجال وموسعات الهلال، في جميع نقاط الوقت، ولكونتو تشوه الحاد والمزمناورس. هذه النتيجة تدعم الفرضية القائلة بأن تباين الجلد يمكن أن تؤثر على التشوهات التي يسببها أثناء إجراء توسيع الأنسجة.

شكل 1
الشكل 1: الشبكة تكوينات ومعلمة الفضاء. ووشم شبكات على الجزء الخلفي من الحيوانات وصورت مع تدابير الشريط في مكان من أجل تحجيم النماذج الهندسية (أعلى). يتميز تشوه بين مرجع وتكوين مشوه من قبل ثلاثة متغيرات: مجال تغير θ، طولية تمتد λ G1، G2 وعرضية تمتد λ (أعلى). ومعلمات الشبكة باستمرار ترقيم نقاط دائما من الذيلية لمنقاري ومن ظهري لتوجيهات بطني (أسفل اليسار). الناتج من التحليل هو مؤامرة كفاف على مساحة المعلمة. يتم وضع علامة على معالم في زوايا مع بكسل واحد التي تاكوفاق اللون الأسود والأحمر والأخضر، والأزرق، لتسهيل تحديد الذيلية، منقاري، ظهري، وجوانب بطني (أسفل اليمين). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2: متعدد عرض ستيريو إعادة إعمار لعملية التوسع. MVS هو خوارزمية من رؤية الكمبيوتر التي تأخذ كما الصور مدخلات من زوايا مختلفة مع وظائف الكاميرا غير معروفة (يسار). الخوارزمية مباريات ميزات عبر الصور للعثور على إحداثيات 3D (في الوسط). إخراج الخوارزمية شبكة الثلاثي مع مضافين الملمس (يمين). (الشكل تكييفها مع إذن من 31) يرجى النقرهنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3: توسيع موسعات الهلال المجال و. المجال (الصف العلوي) والهلال وضعت (أسفل صف) موسعات تحت الجلد وشم على ظهر خنزير وتضخم في أيام 0، 2، 7، 10، و 15 يوما لتوليد كميات ملء 50، 75، 105، 165، و 225 سم مكعب. (الشكل تكييفها مع إذن من 31). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4: التشوه المزمن المستحث بواسطة موسعات الهلال المجال و. تم تحويل شبكات وشم لخدد الأسطح للتحليل (الصفوف 1 و 2).أخذ الإشارة إلى أن الشبكة في اليوم 0، حسبت ثلاثة تدابير من التشوه. أظهر التغير في مساحة قيم أعلى تدريجيا مع مرور الوقت، مع ارتفاع تشوه في منطقة وسط المتوسع، وارتفاع تشوه في المجال بالمقارنة مع الهلال (صفوف 3 و 4). تمتد طولية (الصفوف 5 و 6) تشبه تمتد المنطقة بينما تمتد عرضية (الصفوف 7 و 8) أظهرت العصابات من تشوه وأقل تمتد مقارنة مع الاتجاه الطولي. (الشكل تكييفها مع إذن من 31) يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الشكل 5: التشوه الحاد المستحث بواسطة موسعات الهلال المجال و. مع الأخذ كمرجع تكوين قبيل خطوة التضخم، وكمامشوه التكوين مباشرة بعد حقن المحلول إلى المتوسع، حسبت التشوهات الحادة. وعلى نحو سلس، ومع ذلك، كانت خرائط تشوه بعض الآثار حافة ملحوظة وتعكس خشونة من تفريد في أنماط مثل بقعة من التشوه. أظهرت التغيرات في مساحة (الصفوف 1 و 2) التباين الإقليمي، مع ارتفاع تمتد في المنطقة المقابلة لالمتوسع. كانت تمتد مماثلة عبر نقاط زمنية مختلفة. يمكن أن ينظر في نفس الاتجاه لفترات طولية (صفوف 3 و 4). وأظهرت مساحات عرضية (الصفوف 5 و 6) توزيعات أكثر اتساقا والقيم الأدنى بالمقارنة مع حالة الطولية. (الشكل تكييفها مع إذن من 31) يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

المتوسع
الوقت [أيام] حجم [سم] مجال تغير θ امتداد طولي λ G1 تمتد عرضية λ G2
ماكس دقيقة متوسط ماكس دقيقة متوسط ماكس دقيقة متوسط
0 جسم كروى 50 1.44 0.71 0.98 1.37 0.76 1 1.17 0.84 0.97
0 هلال 50 1.46 0.76 0.98 0.79 1 1.17 0.84 0.98
2 جسم كروى 75 1.74 0.68 1.08 1.51 0.73 1.08 1.19 0.75 1
2 هلال 75 1.43 0.66 1 1.31 0.65 1 1.26 0.77 1
7 جسم كروى 105 0.01 0.69 1.21 1.7 0.75 1.13 1.32 0.84 1.07
7 هلال 105 1.66 0.83 1.15 1.4 0.87 1.11 1.33 0.86 1.03
10 جسم كروى 165 2.26 0.74 1.36 1.76 0.77 1.21 1.39 0.83 1.11
10 هلال 165 1.86 0.87 1.26 1.58 0.8 1.15 1.45 0.83 1.09
15 جسم كروى 225 2.77 0.72 1.52 2.01 0.69 1.29 1.47 0.89 1.18
15 هلال 225 1.87 0.83 1.32 1.46 0.84 1.17 1.44 0.92 1.14
21 جسم كروى 225 3.09 0.93 1.7 2.13 0.9 1.33 1.62 0.98 1.27
21 هلال 225 2.25 0.87 1.49 1.66 0.85 1.25 1.67 0.96 1.2

الجدول 1: ملخص التشوه المزمن. تم حساب سلالات أخذ التكوين الأولي كمرجع ومقارنة بقع في نهاية كل خطوة التضخم فيما يتعلق به. وبلغ متوسط ​​تشوه يعزى إلى المتوسع المجال 1.70 في اليوم 21 في حين مشوه المتوسع الهلال 1.49 في المنطقة بحلول نهاية التوسع. كان هناك تباين المكاني كبير والحد الأقصى والحد الأدنى من القيم اختلفت فيما يتعلق المتوسط. وبلغت مساحات طولية 1.33 و 1.25 لالمجال والهلال موسعات على التوالي، في حين كانت تمتد عرضية منخفضة، مع القيم 1.27 و 1.20. (الجدول تكييفها مع إذن من

الوقت [أيام] المتوسع حجم [سم] مجال تغير θ امتداد طولي λ G1 تمتد عرضية λ G2
ماكس دقيقة متوسط ماكس دقيقة متوسط ماكس دقيقة متوسط
0 جسم كروى 50 1.32 0.72 0.98 1.44 0.75 1 1.23 0.83 0.97
0 هلال 50 1.5 0.71 0.98 1.3 0.8 1 1.21 0.84 0.98
2 جسم كروى 75 1.36 0.69 0.98 1.26 0.66 1 1.2 0.8 0.98
2 هلال 75 1.31 0.61 0.98 1.24 0.8 1.01 1.34 0.68 0.97
7 جسم كروى 105 1.4 0.79 0.98 1.3 0.57 1 1.2 0.77 0.98
7 هلال 105 1.37 0.59 1 1.6 < / td> 0.83 1.02 1.16 0.77 0.98
10 جسم كروى 165 1.6 0.73 1.01 1.35 0.6 1.02 1.25 0.75 0.99
10 هلال 165 1.48 0.58 1.01 1.42 0.75 1.02 1.22 0.77 1
15 جسم كروى 225 1.27 0.73 1.01 1.35 0.55 1.02 1.22 0.79 0.98
15 هلال 225 1.34 0.54 1.02 1.37 0.8 1.02 1.32 0.81 1
ontent "FO: المحافظة على together.within الصفحات =" 1 "> الجدول 2: موجز الحاد التشوه حسبت سلالات أخذ التكوين قبل التوسع كمرجع والتكوين مباشرة بعد الخطوة التضخم الشبكة المشوهة في وأظهرت المتوسط، فإن كلا من المجال والهلال موسعات اتجاهات مماثلة، مع قيم قريبة إلى 1 وهو ما يدل على عدم وجود تشوه. ومع ذلك، بسبب الاختلافات المكانية، قمنا بقياس كانت التغييرات المساحة القصوى تصل إلى 1.60 في المجال و1.50 للهلال، و كانت تمتد في الاتجاهات الطولي والعرضي متباين الخواص، مع القيم القصوى لفترات طولية أعلى دائما تقريبا من مساحات عرضية. (الجدول تكييف بإذن من 31)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

نحن هنا قدم بروتوكول لتوصيف التشوهات التي يسببها أثناء إجراء توسيع الأنسجة في نموذج الخنازير باستخدام متعددة بغية ستيريو (MVS) وعلم الحركة isogeometric (الكينماتيكا IGA). خلال توسيع الأنسجة والجلد يخضع لتشوهات كبيرة تتحرك من سطح أملس ومسطحة نسبيا إلى شكل 3D مثل القبة. الجلد، مثل الأغشية البيولوجية الأخرى 34، يستجيب لتمتد من خلال إنتاج مواد جديدة، وزيادة في المنطقة التي يمكن أن تستخدم بعد ذلك لأغراض ترميمية 35. ولذلك، تحديد دقيق لتمتد التي ينتجها المتوسع أمر بالغ الأهمية لفهم الآليات التي تنظم تطويع الجلد. يخطط لإجراء توسعة يمثل تحديا لموسعات الأنسجة تأتي في أحجام وأشكال مختلفة، وتوزيع تمتد ليست موحدة على المنطقة بأسرها توسيع وذلك يعتمد على الموقع ومعدل التضخم 11،المرجع "> 36. وجود بروتوكول لتقدير دقيق تشوه الناجمة عن التوسع وقادرة على حل سلالات كبيرة والأشكال 3D، والاختلافات الإقليمية، ويفتح آفاقا جديدة لدراسة التنظيم الميكانيكي للنمو الجلد، ويمكن أن يؤدي في نهاية المطاف إلى أدوات التخطيط قبل الجراحة الكمية . وتحقيقا لهذه الغاية، قمنا بتطوير منهجية غير الغازية، وبأسعار معقولة، ومرنة لقياس تشوه في نموذج الخنازير من التوسع الجلد 32.

خطوات حاسمة

نماذج حيوانية لتوسيع الأنسجة تم التعرف بشكل جيد لأكثر من عقدين من الزمن 37. يظهر الجلد الخنازير خصائص مماثلة لإهاب البشري. وعلاوة على ذلك، توسع الجلد في الخنازير في أعقاب إجراء مماثل كما سيتم القيام به في البشر 38. الإجراء توسيع الأنسجة هو حجر الزاوية لنجاح هذا البروتوكول. الجراحين ذوي الخبرة والخبراء في توسيع الأنسجة، قام التقنيهالبريد في نموذج حيواني قدم هنا.

تتعرض البشرة بشكل ملائم مع البيئة الخارجية وأنه هو غشاء رقيق، وبالتالي تشويه لها يمكن أن تتسم نقاط التتبع على سطحه 17. تقدم MVS تقنية مرنة وبأسعار معقولة لدراسة تشوهات الجلد 3D في الجسم الحي على مدى فترات طويلة من الزمن. تأخذ هذه الخوارزمية كمدخل مجموعة من الصور من مشهد ثابت وتستخدم مطابقة ميزة عبر الصور لاستخراج الإحداثيات 3D. MVS إعادة الإعمار وتحليل الحركية لاحقا بشكل حاسم على الخطوات اكتساب صورة لهذا البروتوكول.

التعديلات واستكشاف الأخطاء وإصلاحها

خلال توسيع الأنسجة، ويمكن للجهاز تهاجر بعيدا عن الشبكة بسبب حركة الحيوان وتخفيف الجيب الصغيرة التي وضعت المتوسع في الأصل. إذا تحركت منطقة موسعة خارج الشبكة، يجب أن تنكمش على المتوسع وإزالتها. هذا والعلاقات العامةتم مصادفة oblem باستخدام بروتوكول في واحد من أصل ثمانية شبكات 31 و 32. يمكن موسعات أيضا تسرب إذا كانت معيبة أو ثقب خلال بروتوكول التضخم. هذه التنازلات أيضا في صحة التجربة وسلامة الحيوان، لذلك يجب إزالة المتوسع. تم مصادفة هذه المشكلة باستخدام هذا البروتوكول في واحد من أصل ثمانية شبكات 31 و 32.

MVS إعادة الإعمار يمكن أن يكون تحديا لبعض مجموعات من الصور نظرا لتأثيرات الإضاءة، وعدم التركيز، والضوضاء الخلفية 23. على الرغم من أن الأدوات التجارية لMVS هي قوية، وإذا كانت النتائج ليست دقيقة بما فيه الكفاية في البداية، والخطوات التالية لاستكشاف الأخطاء وتصحيح دائما مشكلة في على تجربتنا: يدويا إزالة الخلفية في الصور. تحديد مجموعة فرعية من الصور مع زيادة التركيز وتجاهل ط ضبابيةالسحراء. يدويا تحديد نقاط متطابقة عبر الصور في واجهة البرمجيات التجارية.

القيود المفروضة على تقنية

وكما ذكر أعلاه، إهاب الخنازير مشابه للإنسان 38، ومع ذلك، لا تزال هناك خلافات. لذلك، ليس من المتوقع أن يكون التنبؤية تماما من الأنسجة البشرية بروتوكولات توسيع 37 نموذجا الخنازير. قيود أخرى على البروتوكول هو عدم وجود أدوات تجارية أو البرمجيات سهلة الاستخدام لتحليل النماذج الهندسية. حاليا، مرة واحدة يتم إنشاء الهندسة من خلال MVS، أجريت التحاليل مع رمز في المنزل الذي يتكون من C ++ والكتابات بيثون. بينما من جهة، والطريقة المقترحة هو الخلاق ويوفر طريقة مريحة بأسعار معقولة لدراسة اليات الأنسجة الرخوة على مدى فترات طويلة من الزمن، وتحليل البيانات تعتمد على التقنيات التي كانت فقط شعبية على مدى العقد الماضي (27). ليلتصقتنفيس عن هذا الحد، ونحن نقدم تنفيذنا من الوظائف الفرعية خدد مع هذا الطلب. واحد الحد أكثر هو تقييد شبكة وشم من أجل تتبع تشوهات مزمنة. الحاجة إلى وجود شبكة وشم تعيق ترجمة البروتوكول إلى المرافق الصحية.

أهمية تقنية مع الاحترام لالحالية / الطرق البديلة

حاليا، والأطباء يعتمدون في الغالب على تجربتهم خلال التخطيط قبل الجراحة إجراءات توسيع الأنسجة، مما أدى إلى مجموعة واسعة من بروتوكولات التعسفية التي غالبا ما تختلف اختلافا كبيرا 13 و 14 و 15. بروتوكول المعروضة هنا يتناول الفجوات المعرفية القائمة عن طريق قياس تشوه الناجم عن التوسع في نموذج حيواني الخنازير التوسع الأنسجة. لمعرفة صاحب البلاغ، وهذا هو أول بروتوكول لتحديد خرائط تشوه مستمرة على بقع كبيرة من أنسجة الجلد <سوب الطبقة = "XREF"> 31 و 32.

بروتوكول مبتكرة، غير الغازية، وبأسعار معقولة ومرنة. لأنه يعتمد على التطورات الأخيرة في خوارزميات الرؤية الحاسوبية مثل MVS، والتحليل العددي مثل الكينماتيكا IGA. وقد تقدمت MVS بشكل مكثف في العقد الماضي، حيث بلغ أخطاء إعادة البناء منخفضة تصل إلى 2٪ 24. ارتفاع البرمجيات المتاحة تجاريا، فضلا عن فتح شفرة المصدر يعرض شعبية عالية من هذا الأسلوب 41. MVS بأسعار معقولة لأنها تتطلب سوى كاميرا رقمية، والتقاط الصور دون معايرة موضع الكاميرا. في المقابل، وتقنيات أخرى مثل إعادة الإعمار ستيريو تتطلب أجهزة إضافية للسيطرة على موقع الكاميرا 17. MVS مرنة لأنه لا يمكن أن يؤديها في مجموعة متنوعة من سيناريوهات طالما الصور التي يمكن اتخاذها من زوايا مختلفة. هذه هي الميزة التي أصبحت أكثر releمطا عند النظر في التطبيق السريري المحتملين. في المقابل، وتقنيات أخرى مثل تتبع الحركة تتطلب الإعداد معينة ولا يمكن أداؤها في مكان التعسفي 18. ميزة واحدة أكثر من MVS هو إنتاج هندستها 3D. تقنيات أخرى، مثل ارتباط الصور الرقمية (DIC)، ويفضل ل2D الحركة تتبع 39. النتائج المعروضة هنا عرضت قدرة خوارزميات التجارية لإعادة بأمانة الأشكال 3D الناجم خلال توسيع الأنسجة.

من هندستها 3D، التشوهات يجب أن تكون محسوبة. يعتمد هذا البروتوكول على استخدام الكينماتيكا IGA سطح الشريحة. المفاتيح هي مفيدة لعدد قليل من نقاط المراقبة بالحدود هندستها على نحو سلس مع استمرارية عالية والتي هي بحاجة لتحليل أغشية رقيقة 40. وأكبر ميزة من المفاتيح في هذا التطبيق هي فكرة وجود مساحة حدودي. تقنيات أخرى، مثل ايلى محدودالإدلاء بالبيانات، تفتقر مجال المعلمة العالمي. في حين أن هذا أمر مريح لبعض المشاكل مثل محاكاة بقع غير منتظمة (على سبيل المثال بقع مع فتحات)، وجود المعايير والثوابت صريح يسمح بتحديد تمتد بين أي اثنين من تكوينات بطريقة مباشرة. على سبيل المثال، عرضت تحليلين مختلفة هنا: التشوهات المزمنة والحادة. لحساب السلالات في الشبكات مع هذا البروتوكول وهو ما يكفي لتوفير المفاتيح اثنين من أسطح الفائدة حيث أن جميع الأسطح لديها نفس المجال المعلمة.

خلال توسيع الأنسجة، يستجيب الجلد لتشوه التطبيقية التي تنمو في منطقة السطح، وإنتاج إهاب الجديد الذي يمكن بعد ذلك أن تستخدم لجراحة. يمكن توصيف التشوهات ذات الصلة سريريا من الجلد على مدى فترات طويلة من الزمن تحسين فهمنا للميكانيكا الأحياء من هذا الجهاز وكذلك تمكين وتطوير أدوات قبل الجراحة الكمية. وصف بروتوكول لهاعناوين البريد تحديدا الحاجة لتصميم تجريبي مع الترجمة المحتملة لإعداد سريرية.

التطبيقات المستقبلية أو الاتجاهات بعد اتقان هذه التقنية

يمكن بسهولة تعديل شفرة المصدر التي يتم استخدامها في هذا البروتوكول إلى تطبيقات أخرى ويمكن أن تدمج المزيد من تطبيقات سهلة الاستخدام. قدمت هذه الورقة مع والروتينية لتقييم وظائف أساس خدد، بالحدود الحقول مستمرة فوق السطوح شريحة، ودمج تلك الحقول مستمرة، وحساب التدرجات تشوه، الغشاء وسلالات الانحناء. ونحن نتوقع أن هذا الرمز مصدر ستستمر في التطور نحو الأداة التي يمكن استخدامها في نهاية المطاف في التطبيقات السريرية الحقيقية لتوسيع الأنسجة وكذلك تمكين التطبيقات الأخرى. منطقة أخرى في المستقبل من العمل هو صقل هذا البروتوكول على أن تأخذ في الاعتبار الخواص الميكانيكية وتشدد في الأنسجة وعلم الحركة وليس فقط.

الابام منظور ذات الصلة سريريا، وهذا البروتوكول هو قادرة على تحديد الاختلافات الإقليمية من تشوه النسيج، فضلا عن الاختلافات بين الأشكال المختلفة المتوسع ومعدلات التضخم 31 و 32. هناك حاجة إلى مزيد من العمل لمواصلة تقييم تأثير عوامل التوسع مختلفة على استجابة الأنسجة. وعلاوة على ذلك، إلى مزيد من الصقل من طراز الخنازير مع التركيز على الآليات البيولوجية التكيف يمكن أن تساعد في توضيح الآليات الأساسية التي تنظم التكيف الجلد لتنهك. والهدف النهائي هو للتحقق من صحة البروتوكول في نموذج الخنازير من أجل ترجمتها إلى إعداد سريرية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب SThe ليس لديهم ما يكشف.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Yucatan miniature swine Sinclair Bioresources, Windham, ME N/A
Antibiotics Santa Cruz Animal Health, Paso Robles, CA sc-362931Rx Ceftiofur, dosage 5 mg/kg intramuscular
Chlorhexidine-based surgical soap Cardinal Health, Dublin, OH AS-4CHGL(4-32) 4% chlorhexidine gluconate surgical hand scrub
Tattoo transfer medium  Hildbrandt Tattoo Supply, Point Roberts, WA TRANSF Stencil thermal tattoo transfer paper
Lidocaine with epinephrine ACE Surgical Supply Co, Brockton, MA 001-1423 Lidocaine Hcl 1% (Xylocaine) - Epinephrine 1:100,000, 20 mL
Buprenorphine ZooPharm, Windsor, CO 1 mg/mL sustained release, dosage 0.01 mg/kg intramuscular
Digital camera Sony Alpha33 Standard digital camera with 18 - 35 mm lens, 3.5 - 5.6 aperture. Used in automatic mode, no flash
Tape measure Medline, Mundelein, Illinois NON171330 Retractable tape measure, cloth, plastic case, 72 inches
Tissue expanders PMT, Chanhassen, MN 03610-06-02 4 cm x 6 cm, rectangular, 120 cc, 3610 series 2 stage tissue expander with standard port
ReCap360 Autodesk N/A MVS Software, Web application: recap360.autodesk.com
Blender Blender Foundation N/A Computer Graphics Software, open source: blender.org
SISL SINTEF N/A C++ spline libraries, open source: https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 122، الجلد، وتوسيع الأنسجة، متعدد عرض استريو، تحليل Isogeometric، نموذج لحم الخنزير، المفتاح
الكمي للسلالة في نموذج الخنزير من التوسع الجلد عن طريق متعدد ستيريو وIsogeometric الكينماتيكا
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Buganza Tepole, A., Vaca, E. E.,… More

Buganza Tepole, A., Vaca, E. E., Purnell, C. A., Gart, M., McGrath, J., Kuhl, E., Gosain, A. K. Quantification of Strain in a Porcine Model of Skin Expansion Using Multi-View Stereo and Isogeometric Kinematics. J. Vis. Exp. (122), e55052, doi:10.3791/55052 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter