Summary
このプロトコルは、手頃な価格で、外科的設定に調整可能な製造、写真の未較正配列のうちの3次元（3D）モデルを生成する多視点ステレオを使用します。 3Dモデルとの間の歪みマップは、同じパラメータを共有粗いメッシュ上に滑らかな表面の表現を容易にするスプラインベースisogeometric運動で定量化されます。
Introduction
組織拡張は、大きな皮膚欠陥1の補正のためにin vivoで皮膚を成長プラスチックおよび再建手術における一般的な技術です。ノイマンは、1957年に、この手順を文書化する最初の外科医でした。彼は患者の皮膚の下にバルーンを移植し、新たな組織を成長させ、耳2を再浮上するために数週間の期間をかけて徐々にそれを膨らませます。皮膚、ほとんどの生物学的組織のように、機械的恒常性に到達するために加えられた力と変形に適応します。生理的な政権を超えて伸ばしたとき、皮膚は3、4を成長します。組織膨張の中心の利点の一つは、周辺組織5として適切な血管新生と同じヘアベアリング、機械的特性、色、およびテクスチャと皮膚の製造です。
60年前、その導入後、皮膚expansionが広くプラスチックおよび再建外科医によって採用されており、現在火傷を補正するために使用される、大先天性欠損、および乳房切除6後の乳房再建、7。しかし、その広範な使用にもかかわらず、皮膚の拡張手順は合併症8につながることができます。これは、一部の手順の基本的なメカノを理解し、術前計画9、10中に外科医を誘導するために必要な十分な定量的な証拠が不足しているためです。この技術における重要なパラメータは、インフレあたりの体積、膨張機の形状及びサイズの選択、デバイス11,12の配置を充填、充填率です。現在の術前計画は、多くの場合、greatlを異なる任意のプロトコルの多種多様で、その結果、医師の経験に大きく依存していますY 13、14、15。
現在の知識のギャップに対処するために、我々は、組織拡張のブタ動物モデルにおいて膨張による変形を定量化するための実験プロトコルを提示します。プロトコルは、未知のカメラ位置で2次元（2D）画像のシーケンスから3次元（3D）ジオメトリを再構成するマルチビューステレオ（MVS）の使用に依存しています。スプライン用い、滑らかな表面の表現はisogeometric（IGA）の記述によって、対応する変形マップの計算につながります。幾何学の分析は、明示的パラメータ16を有する膜の連続体力学の理論的枠組みに基づいています。
長期間にわたって生活の物質の生理的に関連する変形を特徴づけることはまだ困難な問題が残っています。以下のための共通の戦略生体組織のイメージングは、立体デジタル画像相関、反射性マーカーを有する市販のモーションキャプチャシステム、及び複葉ビデオ透視17、18、19を含みます。しかし、これらの技術は、制限的実験を必要とし、一般的に高価であり、主にex vivoでまたはin vivoの設定で 、急性のために使用されています。皮膚が薄い構造であるという利点を有しています。それはいくつかの層から成っていても、真皮は、組織の機械的特性の大きな原因であり、したがって表面の変形が最も重要20です。合理的な運動学的な仮定は、平面変形21、22のうちについて行うことができます。また、皮膚はすでにそれは可能そのジオメトリをキャプチャするために、従来のイメージングツールを使用すること、外部環境にさらされています。 HERE我々は、組織拡張プロトコルにすぎなかっ干渉することなく、数週間にわたって皮膚のin vivoでの変形を監視するための手頃な価格で柔軟なアプローチとしてMVSの使用を提案しています。 MVSは、23角未知のカメラで2D画像の集合からオブジェクトまたはシーンの3次元表現を抽出する手法です。唯一の最後の3年間で、いくつかの商用コードが（例のための材料のリストを参照）登場しています。 MVSとモデル再構築の高い精度は、2％の24と低いエラーで、長期間にわたって、インビボでの皮膚の動特性解析のために、このアプローチが適したものとなります。
組織拡張中に皮膚の対応する変形マップを得るために、任意の二つの幾何学的構成との間の点が一致しています。従来、計算生体力学の研究者は、変形マップを取得するために、有限要素メッシュと逆解析を使用していました25、26。ここで使用IGAアプローチは、薄い膜27、28の分析のためにいくつかの利点を提供スプライン基底関数を使用します。すなわち、高次多項式の利用可能性は、非常に粗いメッシュ29、30と滑らかな幾何学的形状の表現を容易にします。さらに、一致しない離散化を考慮して逆問題の必要性を回避するすべての表面パッチに同じ基礎パラメータをフィットさせることができます。
ここで説明する方法は、長期間にわたって生体内の設定に関連して、皮膚の力学を研究するための新しい道を開きます。また、我々は我々の方法論は、臨床現場でパーソナライズされた治療計画のための計算ツールを開発するという究極の目標に向けた有効なステップであることを期待しています。</ P>
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Protocol
このプロトコルは、動物実験を必要とします。プロトコルは、動物の人道的な治療を保証するために、アンとシカゴ研究センター動物実験委員会のロバート・H・ルーリー小児病院のIRBによって承認されました。このプロトコルを使用して2つの拡張研究の結果は、他の場所で16、31公開されています。
このプロトコルの実行は、補完的な専門知識を持つチームが必要です。プロトコルの最初の部分は、適切な医療訓練を受けた人員を必要とする、動物モデルに外科的処置を記載しています。その後の分析、特にセクション4及び5は、基本的なコンピュータプログラミングC ++とPythonのスキル、およびコマンドライン・シェルの使用を含みます。
パンダの配置のための1の外科的処置
注：操作に関与人事は、スクラブ、滅菌方法でgownedする必要があります。 Steril電子タオルやカーテンは、無菌性を維持するために、手術野の周囲に適用されます。すべての楽器、縫合糸、および組織拡張器は、無菌包装で受信のみ無菌担当者によって処理されます。手続きが完了するまで、手術部位の無菌性は、これを侵してはなりません。
- 1週間の標準的な住宅への1ヶ月齢のオスユカタンミニブタを順応させ、そして自由に食べます。
- メンテナンスのために、次いで、イソフルラン、 - （6ミリグラム/ kgの4）手術の日に、誘導のためのケタミン/アセプロマジンを用いて動物を麻酔。眼瞼反射を監視することにより、麻酔の深さを評価します。また、バイタルサイン（心拍数、体温、呼吸数、および/または組織鉗子でつまんする応答）を監視します。角膜擦り傷から保護するために、目に眼軟膏を適用します。
- 事前手続き抗生物質の管理およびクロルヘキシジンベースの外科石鹸で背部皮膚をきれいに。転送4 10×10cm 2つのグリッドの各側の2つの入れ墨伝達媒体を使用してブタの皮膚に1cmのラインマーキング動物。左吻側、右吻側、左尾側、及び右尾：グリッドは、次の4つの領域に対応します。グリッドパターンの対称配置を確保するために正中参照してテンプレートを使用してください。
- グリッドをトレースすることにより、紙の上のグリッドを作成し、ボールペンで多額の概要を説明します。グリッドは、イソプロピル消毒用アルコールで配置されるべき動物上の領域を洗います。
- 直接肌の上にグリッド（ダウンペンインク側）を適用します。アルコールは動物の皮膚にグリッドを移し、紙のオフインクの一部をリーチするのに役立ちます。
- 各計画の切開部位で皮下：局所麻酔薬（エピネフリン10万1と1％リドカイン）を注入します。
- 2つのグリッド間の中間点で動物のどちらかの側での切開を行います。
注：切開は上2つのグリッドとの間の動物の左右側に配置されていますその側。左サイドの切開と右サイドの切開があります - 関心のグリッドの下に皮下トンネルを開発するための止血剤を使用してください。トンネルを現像した後、グリッドの下の膨張を挿入します。
注：トンネルは、組織拡張器を持つことになります任意のグリッドの下に配置されています。 - 動物の背側正中線に沿って同様の方法で開発皮下トンネルを通してリモートパンダ膨張用ポートを配置します。縫合によって傷を修復します。
- 動物の苦痛の徴候のために利用可能な追加の用量で、4つの用量についての筋肉内注射を介して12時間毎に - （0.1ミリグラム/ kgのブプレノルフィン0.05）術後、予防的抗生物質を動物（セフチオフルに5mg / kgのIM回）ならびに鎮痛薬の治療。
- 彼らは歩行を再開し、正常体温を維持することができるまで、バイタルサインのルーチン測定を含む、術後2時間連続して動物を観察します。ハウス別々のケージ内の動物とモニタIまでtは、通常の住宅エリアに戻ってそれを転送し、無人、それを離れる前にすべての4本足で独立して歩くことができます。
- 即時麻酔後の回復期間の後、創傷治癒を評価するために動物を毎日チェック。術後14日縫合糸を外します。これらの切開部は、ドレッシングを必要としません。展開を開始する前に、4週間 - 3用癒すために切開を残します
2.インフレプロトコル
注：各エクスパンダに用いられる溶液のinflationsと量のタイミングが検討されて特定の質問に依存します。別エキスパンダージオメトリの効果を特徴づけるために、適切なプロトコルは、それぞれ50、75、105、165、225 CCの充填容量を達成するために、0、2、7、10、および15日目に5つの膨張ステップを実行することです。
- 80μgの/ kgの - 20に - （6ミリグラム/ kgの4）及びデクスメデトミジン、各膨張工程の前に、ケタミンを投与する動物を鎮静。
注：デクスメデトミジンがあります（1：1体積：1体積）アチパメゾールと逆にすることができるn個のアルファ - アドレナリンアゴニストより速い回復を容易にします。動物は、動物またはハンドラに害の過度のリスクなしに膨張を許容するが、鎮静のこのレベルは適切ではないかもしれません。このような場合は、ケタミン/アセプロマジンの誘導後のマスク換気を経由してイソフルランを提供することで、全身麻酔を管理します。 - 手術用テープを用いて動物の皮膚に2つのプラスチックフレキシブルテープ措置を取り付けます。左右のグリッド間の巻尺を置きます。
- 一方の側に動物を配置し、できるだけ多くの異なる角度からのシーンの30枚の写真を取得します。
注：目的は、動物は、一方の側に敷設されたときに目に見える2つのグリッドの幾何学的形状を捕捉することです。- まず、入れ墨グリッドが完全に表示されているショットをキャプチャして、フレームを満たすために、動物の上にカメラを配置し、尾側に傾い。
- M道に沿って写真を撮る吻側方向に尾からアーチ動物の周りに円形パターンでOVE、すべての写真のために、表示されている入れ墨グリッドが完全にフレームに表示される、ことを保証します。
- 同時に、グリッドがフレーム内に占めるスペースを最大にしよう。理想的なショットが入れ墨グリッドと背景のわずかな領域と動物の背中をキャプチャします。
- 次に、約地面に平行と腹側から背側領域にアーチに写真を撮影された撮影角度を捕捉するために腹側にカメラを位置決めします。
注：写真の量は固定値ではありません。良好な再構成のために、入れ墨グリッド上の全ての点は、少なくとも3枚の写真であるべきです。合計で30枚の写真は、成功したジオメトリ再構成のために十分な量です。
- 反対側に動物を配置し、両者の30枚の写真を撮ります上記概説したものと同じ手順に従って、残りのグリッド。
- リモート充填ポートを見つけ、関心の拡張プロトコルに対応する食塩水の必要量を注入することにより、膨張工程を行います。無菌の0.9％注射用生理食塩水を使用してください。
- イソプロピルアルコールワイプで動物の皮膚の上のポートと準備を探します。滅菌注射用生理食塩水で充填された注射器に取り付けられた無菌の25ゲージのバタフライ針をポートにアクセスします。
注：上記のように、ポートは、エキスパンダの配置時前方正中線背部上の位置に皮下トンネルされます。 - 生理食塩水の所望量を注入します。展開プロセスの各段階で注入インフレボリュームについては、このセクションの冒頭でノートを参照してください。
- イソプロピルアルコールワイプで動物の皮膚の上のポートと準備を探します。滅菌注射用生理食塩水で充填された注射器に取り付けられた無菌の25ゲージのバタフライ針をポートにアクセスします。
- 膨張後の写真の取得手順を繰り返します。
- インフレプロトコルが完了したら、動物を安楽死させます。
- 一般の管理ケタミン/アセプロマジンの誘導後のマスク換気を経由してイソフルランを提供することにより麻酔。眼瞼反射を監視することにより、麻酔の深さを評価します。また、バイタルサイン（心拍数、体温、呼吸数、および/または組織鉗子でつまんする応答）を監視します。
- 100mg / kgの - ペントバルビタール90の静脈内過剰投与により動物を安楽死させます。安楽死のためのペントバルビタールの過剰摂取に続いて、パルスオキシメータおよびパルス触診だけでなく、自発的な呼吸の不在を用いて検出ハートビートの欠如による死亡を確認。
3.マルチビューステレオ復興
- 画像ファイルをアップロードし、幾何学的モデルを再構築するために、市販のソフトウェアを使用してください。
- ブラウザ上でMVSソフトウェアを起動し、ログインします。
- 左上隅に3Dに写真を選択します。
- 、 写真を追加クリックしてIMの場所を参照します年齢、手動単一のモデルに対応する30枚の写真を選択します。
- モデルに名前を付け、[ 作成 ]をクリックします
- モデルが作成されるのを待ちます。これには数分かかることがあります。ソフトウェアの元のランディングページに戻ります右側のダッシュボードをクリックしてください。
注：ダッシュボードは、ユーザーによって作成された幾何学的モデルの代表的な画像を示しています。 - 先ほど作成されたモデルにカーソルを置きます。モデル画像の右下隅にカーソルを置きます。 ダウンロードをクリックして、OBJを選択します。
4.スプラインサーフェスフィット
- 幾何学的モデルを処理するためのオープンソースソフトウェアを使用してください。
- MVSソフトウェアから生成されたファイルをインポートするには[ファイル] - > [Import-> OBJをクリックします。 3Dビューの下部にビューポートのシェーディングとSELEをクリックしてくださいCT テクスチャ 。 トランスフォーム 、 グリース鉛筆 、 ビュー 、3D鉛筆 など シェーディングをクリックしShadelessを選択：サブメニューと3Dビューの右側のタブを探します。
- 右のそれを選択し、ジオメトリをクリックしてください。 3Dビューの下部にある三角形メッシュを視覚化するために編集モードを選択します。
- 巻尺の1cmのマーキングに1つのノードずつを選択します。
- ポイントを選択するには、それを右クリックして、ポイントを強調表示します。ポイントの座標は、3Dビューの右側のタブに表示されます。テキストファイルに選択した点の座標を選択してコピーします。
- 巻尺の1cmのマーキング上のすべての点について、この操作を繰り返します。
- 両方のテープ対策のためにこれを行います。テキストファイルを座標の例としては提供されていますD：tape1.txt、tape2.txt。
注：注目点に、メッシュのノードがない場合は注目点のノードがあるまで、メッシュを細分化。メッシュは頂点のShiftキーと右クリックを押すことにより、三角形の3つの頂点を選択細分化します。そして、3Dビューの左側に表示されるタブに再分割ボタンをクリックします。この操作は、選択した三角形内部の3つの以上のノードを追加します。
- グリッドの11×11点を選択し、 図1に示すパターンでテキストファイルに121点の座標を保存します。
- 同様に、グリッドのポイントを選択するために、テープの対策のために行われたものに、それを右クリックし、ポイントが強調表示されます。ポイントの座標は、3Dビューの右側のタブに表示されます。テキストファイルに選択した点の座標を選択してコピー
注：グリッド点の番号付けはALWです吻側へと腹地域への背側正中線からAYS尾。この順序は、パラメータ空間は、任意の2つのパッチのために一貫していることを保証します。一例として、皮膚パッチの121点の座標を含むファイルgridReference.txtが設けられています。
- 同様に、グリッドのポイントを選択するために、テープの対策のために行われたものに、それを右クリックし、ポイントが強調表示されます。ポイントの座標は、3Dビューの右側のタブに表示されます。テキストファイルに選択した点の座標を選択してコピー
- ダウンロードし、コンパイルしてC ++スプラインライブラリをインストールします。ファイルsplineLibraryInstallation.txtは、インストールのためのスプラインライブラリと命令のソースコードへのリンクが含まれています。
- 実行generateCurveを生成するソースコードをコンパイルgenerateCurve.cpp
注：プログラムgenerateCurveは、一度だけコンパイルする必要があります。このC ++ソースコードをコンパイルして実行ファイルを生成するには、ソースコードファイルgenerateCurve.cppの上部にある指示に従ってください。 - テープ措置へと格子点にスプラインにフィットするようにプログラムgenerateCurveを使用してください。 Bで実行可能ファイルを実行するには灰シェル、タイプ
ディレクトリ$ ./generateCurve- プログラムを実行すると、それは巻尺の座標を含むファイルへのパスを入力するようユーザーに求められます。そして、プログラムは、出力ファイルの名前を要求します。ファイル名に終了.g2を追加します。
注：GOツールの略で、スプラインライブラリに関連付けられている.g2終了。テープ措置に対応するスプラインのファイルの2つの例は、このプロトコル（tape1.g2、tape2.g2）でご利用いただけます。
- プログラムを実行すると、それは巻尺の座標を含むファイルへのパスを入力するようユーザーに求められます。そして、プログラムは、出力ファイルの名前を要求します。ファイル名に終了.g2を追加します。
- 格子点をスケーリングするPythonスクリプトのscalePoints.pyを使用してください。 3つの引数を指定してBashシェルプロンプトでプログラムを実行します：グリッド点のファイル名とテープ措置に対応するスプラインのファイル名を
ディレクトリ$ pythonのscalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
注：このスクリプトscalePoints.pyはスクリプトB_spline.pyとNURBS_Curvをインポート e.py、したがって、すべての3つのスクリプトは、同じフォルダにある必要があります。 - 実行generateSurfaceを生成するソースコードをコンパイルgenerateSurface.cpp。
注：この手順は一度だけ実行する必要があります。より詳細な手順は、ソースコードファイルgenerateSurface.cppの先頭でご利用いただけます。 - 格子点にスプライン曲面にフィットするようにプログラムgenerateSurfaceを使用してください。バッシュシェル上で実行可能generateSurfaceを実行します
ディレクトリ$ ./generateSurface- シェルでプログラムを実行すると、スケールドポイントを含むファイル名を要求します。そして、それは、出力ファイルの名前を要求します。出力ファイル名に終了.g2を追加します。
注：終了.g2はスプラインライブラリによって提案し、Goツールを意味しています。ファイルgridReference.g2とgridDeformed.g2は、例として提供されています。
- シェルでプログラムを実行すると、スケールドポイントを含むファイル名を要求します。そして、それは、出力ファイルの名前を要求します。出力ファイル名に終了.g2を追加します。
- BashシェルプロンプトでのPythonを起動します
ディレクトリ$パイソン
注：Pythonは、新しいコマンドライン環境を表示しますシェルと同様のインタフェースである、インタプリタを初期化します>>> - evaluateMembraneIGAと呼ばれる関数を含むスクリプトexpansionIGA.pyをインポート
>>> expansionIGAインポートevaluateMembraneIGAから - 変形マップを計算する関数evaluateMembraneIGAを呼び出します。
注：この関数は、引数として取ります。
基準面のファイル名
変形した表面のファイル名
評価の解像度（各方向に評価されるどのように多くの点）
等高線図をスケーリングするために使用される領域のストレッチの最小値
等高線図をスケーリングするために使用される面積延伸の最大値
縦方向の延伸の最小値たち輪郭を拡大縮小する編
輪郭を拡大縮小するために使用される長手方向の延伸の最大値
輪郭を拡大縮小するために使用される横方向の延伸の最小値
輪郭を拡大縮小するために使用される横方向の延伸の最大値
等高線図のグリッド線の間隔
出力ファイル名- たとえば、実行
>>> evaluateMembraneIGA（ 'gridReference.g2'、 'gridDeformed.g2'、250、3、0.5、2、0.5、2、0.5、25、 '変形'）
注：このコマンドは、6つの出力ファイルを生成して保存します。上記の例の最後の引数は、出力ファイル名の変形であることに注意し、従って、生成されるファイルは次のとおりです。
deformation_theta.png：面積延伸の等高線図
deformation_theta.txt：面積延伸の等高線に対応する値の表
deformation_G1.png：ストレッチALONの等高線図G動物の長手方向軸
deformation_G1.txt：動物の長手方向軸線に沿ってストレッチの等高線に対応する値の表
deformation_G2.png：動物の横軸の延伸成分の等高線
deformation_G2.txt：動物の横軸の延伸の成分の等高線に対応する値の表
注：ベクトルG2と、スプラインファイル、.g2の終了を混同しないでください。スプラインのファイルは、スプラインライブラリの命名規則次.g2を終了しました。一方、ベクトルG1及びG2は、動物に対して縦方向および横方向を示しています。
注：輪郭ファイルは、パラメータ空間の解釈を容易にするために、四隅の異なる機能で生成されます：ブラックピクセル：ほとんどの尾、最も背のポイント;赤色画素コーナー：MOSトンの吻側、最も背のポイント;緑色画素コーナー：ほとんどの尾、最も腹側のポイント。青色画素コーナー：最も吻側、最も腹側のポイント。
- たとえば、実行
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Representative Results
矩形、球及び三日月パンダ31、32：この方法は、正常別エキスパンダージオメトリによる変形を研究するために使用されてきました。球と三日月パンダに対応する結果が次に説明されます。 図2は、MVSモデル再構築の3つのステップを示しています。出発点は、静的なシーンからの写真のコレクションです。写真は様々な角度から撮影したよう入れ墨グリッドと巻尺を持つ動物は、まだ横たわっていました。 MVSアルゴリズムは、3D座標を抽出するために、写真間の特徴と一致しました。その結果、テクスチャ付き三角形メッシュからなる形状モデルを生成しました。
ここで説明するプロトコルは、組織拡張プロセスのさまざまな側面を研究するために使用することができます。バリエーションそれが成長した皮膚の量の地域差につながるので、球と三日月パンダによって誘導された地域の株で膨張過程の一つの重要な側面です。両デバイスは、すべての時点で同じボリュームに充填しました。五の膨張ステップは、50、75、105、165、225 CCの充填体積を生成するために0、2、7、10、および15日目に行きました。 図3は、各膨張段階の終わりに拡張皮膚グリッドの写真を示します。エクスパンダは、皮膚を延伸変形が経時格子の歪みによって明らかでした。
プロトコルセクションに記載したように、グリッドのすべての構成に対してスプライン表面を生成しました。変形は、図1に示すように、基準と変形グリッドを選択することによって計算しました。分析の二つの異なる種類の結果がここで説明されています。慢性の変形を研究するために、0日目にブタをTとして選択しました彼は他のすべての時点に比べて設定を参照して。 図4に示す輪郭プロットで基準設定結果にすべての膨張段階の終了とを比較します。ここで紹介する方法は、変形の3回の測定値を抽出します。領域の変化は、θで示される長手方向の延伸は、G1λと呼ばれ、そしてλ 図1に示すようにG2は 、横方向の延伸です。球と三日月パンダのための2つの直交方向における面積の変化とストレッチの進行は、図4に示されています。スプライン表面は、一般的に滑らかであり、したがって、対応する輪郭プロットは滑らかでした。それにもかかわらず、メッシュの粗さは、スポット特徴を示した輪郭によって証明されました。細かいグリッドは、変形マップの忠実度を増加させます。それにもかかわらず、異なるエクスパンダの形状の違いはすぐにappareましたNTおよび定量化。両方のエクスパンダが同じボリュームに充填したにもかかわらず、球状膨張は、より大きな変形を誘導しました。等高線プロットの空間的変動は、皮膚がグリッドの周囲に比べて膨張の中心に延伸したことを明らかにしました。結果を表1にまとめられています。
第2の分析は、各膨張段階で急性変形を決定することから成ります。この場合、基準設定が直前膨張グリッドであり、変形グリッドは、直ちに膨張工程の後でした。すべての膨張段階で誘導変形は、異なる時点間の平均に著しく類似していました。要約は表2に含まれています。平均して、変形（1変形の不在であろう）1に近かったです。 図5に示す等高線の検査が明らかに空間的な変動を展示しました。ほとんど変形が平均であったにもかかわらず、他のものは基準に対して収縮しながら、グリッドの一部領域は延伸しました。慢性変形の分析と同様に、中央領域は、ほとんど延伸されているものがありました。
急性および慢性の両方の場合において、縦方向および横方向のストレッチは、異方性を示す明確な傾向を示しました。皮膚は、最もコラーゲン組織として、異方性の機械的応答25に寄与する好ましい繊維配向を示します。豚の背中に皮膚の場合には、繊維は、横方向33に整列していると考えられます。我々の実験では、皮膚の拡張中に、縦方向の伸びは、常に横方向に沿ったものよりも大きかったことを示しました。これは、全ての時点で、球と三日月エキスパンダの両方について真であり、急性および慢性の変形コント用URS。この結果は、皮膚の異方性が組織拡張手続きの際に誘発される変形に影響を与えることができるという仮説をサポートしています。
図1：グリッドの構成とパラメータ空間。グリッドは、幾何学的モデル（上）を拡張するために、動物の背中に入れ墨や場所に巻尺で撮影されています。面積変化θ、縦延伸λG1、及び横方向ストレッチλのG2（トップ）：基準と変形形状との間の変形は三つの変数によって特徴付けられます。グリッドは、一貫して尾側から頭側および背側から腹側方向（左下）に常に点を番号によってパラメータ化されます。分析の出力は、パラメータ空間の上に等高線図です。輪郭は、一つの画素TAKとの角部にマークされていますES色、黒、赤、緑、青、 尾 、 頭側 、 背側、及び腹側（下右）の識別を容易にします。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図2：拡張プロセスの多視点ステレオ再構成。 MVSは、未知のカメラ位置（左）と異なる角度からの入力写真としてとるコンピュータビジョンのアルゴリズムです。アルゴリズムは、3D座標（中心）を見つけるために、画像を横切る特徴と一致します。アルゴリズムの出力は、テクスチャオーバーレイ（右）との三角メッシュです。 （図は31から許可を得て適応） をクリックしてください。ここでは、この図の拡大版を表示します。
図3：スフィアとクレセントパンダの拡大。球（上行）及び三日月（下段）パンダ50の容積を充填生成するために豚の背中に入れ墨の皮膚の下に置き、0日で膨張、2、7、10、および15日であった、75、105、 165、及び225 CC。 （図31から許可を得て適応しました）。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図4：球とクレセントエキスパンダーによって誘発慢性変形。入れ墨グリッドは（行1および2）分析のために表面をスプラインに変換しました。0日目にグリッドとなる基準を取って、変形の3回の測定値を計算しました。面積変化は、膨張の中心領域においてより高い変形、及び三日月（行3および4）と比較して、球において高い変形して、時間をかけて徐々に高い値を示しました。長手方向のストレッチ（行5,6）横ストレッチ（行7,8）が長手方向に比べ変形及び以下のストレッチのバンドを示した領域ストレッチに似ていました。 （図は31から許可を得て適応） この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図5：球とクレセントパンダによって誘発される急性変形。直前膨張工程に参照ような構成をとること、およびAS膨張に直ちに溶液の注射後に構成を変形し、急性変形を計算しました。変形マップは、しかし、いくつかのエッジ効果が顕著であり、離散化の粗さは、変形の点状パターンに反映された、滑らかでした。領域の変更（列1及び2）は、膨張に対応する領域におけるより高い伸びと、地域の変化を示しました。ストレッチは、異なる時点間で類似していました。同じ傾向は、長手方向ストレッチ（行3および4）のために見ることができました。横ストレッチ（行5及び6）は、長手方向の場合に比べてより均一な分布と低い値を示しました。 （図は31から許可を得て適応） この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
| 時間[日] | ボリューム[CC] | 面積変化 θ | 縦方向ストレッチ λG1 | 横ストレッチ λG2 | |||||||
| 最大 | 分 | 平均 | 最大 | 分 | 平均 | 最大 | 分 | 平均 | |||
| 0 | 球 | 50 | 1.44 | 0.71 | 0.98 | 1.37 | 0.76 | 1 | 1.17 | 0.84 | 0.97 |
| 0 | 三日月 | 50 | 1.46 | 0.76 | 0.98 | 0.79 | 1 | 1.17 | 0.84 | 0.98 | |
| 2 | 球 | 75 | 1.74 | 0.68 | 1.08 | 1.51 | 0.73 | 1.08 | 1.19 | 0.75 | 1 |
| 2 | 三日月 | 75 | 1.43 | 0.66 | 1 | 1.31 | 0.65 | 1 | 1.26 | 0.77 | 1 |
| 7 | 球 | 105 | 0.01 | 0.69 | 1.21 | 1.7 | 0.75 | 1.13 | 1.32 | 0.84 | 1.07 |
| 7 | 三日月 | 105 | 1.66 | 0.83 | 1.15 | 1.4 | 0.87 | 1.11 | 1.33 | 0.86 | 1.03 |
| 10 | 球 | 165 | 2.26 | 0.74 | 1.36 | 1.76 | 0.77 | 1.21 | 1.39 | 0.83 | 1.11 |
| 10 | 三日月 | 165 | 1.86 | 0.87 | 1.26 | 1.58 | 0.8 | 1.15 | 1.45 | 0.83 | 1.09 |
| 15 | 球 | 225 | 2.77 | 0.72 | 1.52 | 2.01 | 0.69 | 1.29 | 1.47 | 0.89 | 1.18 |
| 15 | 三日月 | 225 | 1.87 | 0.83 | 1.32 | 1.46 | 0.84 | 1.17 | 1.44 | 0.92 | 1.14 |
| 21 | 球 | 225 | 3.09 | 0.93 | 1.7 | 2.13 | 0.9 | 1.33 | 1.62 | 0.98 | 1.27 |
| 21 | 三日月 | 225 | 2.25 | 0.87 | 1.49 | 1.66 | 0.85 | 1.25 | 1.67 | 0.96 | 1.2 |
表1：慢性変形のまとめ。株を基準として初期設定を取得し、それに対する各膨張段階の終了時にパッチを比較して計算しました。三日月パンダは膨張の終わりまでの領域に1.49を変形しながら球膨張に起因する変形の平均は、21日目で1.70に達しました。有意な空間的変動と最大値と平均値に対する変化の最小値が存在しました。横ストレッチが1.27と1.20の値で、低かった長手方向のストレッチは、それぞれ球体及び三日月パンダのための1.33と1.25に達しました。 （表からの許可を得て適応しました
1 『> 表2：「キープtogether.withinページ= FO』：ontent。急性変形の概要株は直ちに変形グリッドとして膨張工程後の参照と構成と拡張前にコンフィギュレーションを取って計算した上で。平均して、両方の球及び三日月パンダは全く変形を示さないだろう1に近い値を用いて、同様の傾向を示した。しかしながら、空間的変動のために、我々は、最大面積の変化が三日月のために球のための1.60と1.50と高いた測定ザ縦方向および横方向のストレッチは、横方向の伸びよりもほとんど常に高い縦ストレッチの最大値と、異方性であった。（表31からの許可を得て適応します） 時間[日] エキスパンダー ボリューム[CC] 面積変化θ 縦方向ストレッチ λG1 横ストレッチ λG2 最大 分 平均 最大 分 平均 最大 分 平均 0 球 50 1.32 0.72 0.98 1.44 0.75 1 1.23 0.83 0.97 0 三日月 50 1.5 0.71 0.98 1.3 0.8 1 1.21 0.84 0.98 2 球 75 1.36 0.69 0.98 1.26 0.66 1 1.2 0.8 0.98 2 三日月 75 1.31 0.61 0.98 1.24 0.8 1.01 1.34 0.68 0.97 7 球 105 1.4 0.79 0.98 1.3 0.57 1 1.2 0.77 0.98 7 三日月 105 1.37 0.59 1 1.6 < / TD> 0.83 1.02 1.16 0.77 0.98 10 球 165 1.6 0.73 1.01 1.35 0.6 1.02 1.25 0.75 150 10 三日月 165 1.48 0.58 1.01 1.42 0.75 1.02 1.22 0.77 1 15 球 225 1.27 0.73 1.01 1.35 0.55 1.02 1.22 0.79 0.98 15 三日月 225 1.34 0.54 1.02 1.37 0.8 1.02 1.32 0.81 1
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Discussion
ここでは、マルチビューステレオ（MVS）とisogeometric運動（IGAキネマティクス）を用いて、ブタモデルにおける組織拡張手順の間に誘起される変形を特徴づけるためのプロトコルを提示します。組織拡張の間、皮膚はドーム状の立体形状に滑らかで比較的平坦な表面から行く大きな変形を受けます。皮膚は、他の生体膜34のように、その後、再建の目的35のために使用することができる領域に増加し、新しい材料を製造することにより、ストレッチに応答します。したがって、膨張機によって生成されるストレッチの正確決意は、皮膚の適応を制御するメカニズムを理解することが重要です。展開手順の計画、組織エキスパンダは異なるサイズおよび形状で来るので、伸縮分布全体拡張領域にわたって均一ではない挑戦であり、それはインフレーション11の位置及び速度に依存しますREF "> 36。正確に膨張による変形を推定し、大型株、3D形状、および地域のバリエーションを解決できる、皮膚の伸びの機械的な調節を研究するために新しい道を開き、最終的に定量術前計画ツールにつながることができますし、プロトコルを持ちます。その目標に向かって、我々は、皮膚膨張32のブタモデルの変形を測定する、非侵襲的に手頃な価格、および柔軟な方法を開発しました。
重要なステップ
組織拡大のための動物モデルは、二十年以上の37のためによく特徴付けられています。ブタ皮膚は人間の外皮に匹敵する特性を示しています。それは人間の38で行われるようさらに、ブタの皮膚の拡大は、同様の手順に従います。組織拡張手順は、このプロトコルの成功の礎です。経験豊富な外科医は、組織拡大の専門家は、techniquを行いました動物モデルでのeはここに提示しました。
皮膚は、好都合には外部環境に露出され、したがって、その変形は、その表面17上の追跡点を特徴とすることができる、薄い膜です。 MVSは、長期間にわたって生体内での3D皮膚の変形を研究するために、柔軟かつ手頃な価格の技術を提供しています。このアルゴリズムは、静的シーンから入力される写真のセットを取得し、3次元座標を抽出するために、写真を横切って特徴マッチングを使用します。 MVSの復興とその後の運動学的分析は批判的にこのプロトコルの写真取得のステップに依存します。
修正およびトラブルシューティング
組織拡張の間、デバイス起因膨張が最初に配置されたポケットの動物の動きや緩みにグリッドから離れて移動することができます。拡張領域は、グリッドの外に移動した場合、膨張が収縮して除去されなければなりません。このPRoblemは1〜8のうちグリッド31、32のプロトコルを使用して発生しました。それらが不完全またはインフレプロトコルの中にパンクしている場合にはパンダも漏れることができます。これはまた、実験動物の安全性の妥当性を損なうため、エクスパンダを削除する必要があります。この問題は、1〜8個のうちグリッド31、32でこのプロトコルを使用して検出されました。
MVS再構成による照明効果、フォーカスの欠如、及び背景雑音23の写真のいくつかのセットのために挑戦することができます。 MVSのための商用ツールは強力であるにもかかわらず、結果は最初は十分に正確でない場合は、次のトラブルシューティング手順は、常に我々の経験上での問題を修正した。手動で写真に背景を削除します。シャープに焦点を当てた写真のサブセットを選択し、ぼやけた私を捨てますメイジ;手動商用ソフトウェアインタフェースで写真を横切って一致点を選択します。
テクニックの制限事項
上述したように、ブタ外皮は人間38と同様であり、それにもかかわらず、依然として差があります。従って、ブタモデルは、ヒト組織拡張プロトコル37を完全に予測することはないと予想されます。プロトコルの他の制限は、商用ツールや幾何学的モデルを分析するためのユーザーフレンドリーなソフトウェアの欠如です。ジオメトリがMVSによって生成されると、現在、分析は、C ++とPythonスクリプトで構成され、社内のコードを用いて行われます。一方、提案手法は創造的で、長期間にわたって、軟組織の力学を研究するために手頃な価格、便利な方法を提供していますが、データ分析は過去十年間27親しまれている技術に依存しています。 circumへこの制限をベント、我々はこの投稿でスプラインサブルーチンの私達の実装を提供します。もう一つの制限は、慢性的変形を追跡するために入れ墨グリッドの制限です。入れ墨グリッドの必要性は、臨床現場へのプロトコルの翻訳を妨げます。
オルタナティブ/既存の方法に対する技術の意義
現在、医師はしばしば大幅に13、14、15の異なる任意の多種多様なプロトコルにつながっている組織拡張手続きの術前計画の際、ほとんど自分の経験に依存しています。ここで提示されたプロトコルは、組織拡張のブタ動物モデルにおいて膨張による変形を定量することにより、既存の知識のギャップに対処します。筆者の知る限り、これは皮膚組織のかなりのパッチの連続変形マップを定量化するための第1のプロトコルです<SUPクラス= "外部参照"> 31、32。
プロトコルは、革新的な非侵襲的な、手頃な価格で柔軟です。それは、このようなIGA運動学などのMVSなどのコンピュータビジョンアルゴリズムにおける最近の発展、および数値解析に依存しています。 MVSは、2％の24ほどの低い再生誤差に達し、過去10年間で激しく進んでいます。市販のソフトウェアの上昇ならびにオープンソースコードは、この方法41の高い人気を展示します。それだけで、デジタルカメラを必要とし、写真はカメラ位置のキャリブレーションなしで取られるので、MVSは、手頃な価格です。対照的に、このようなステレオ再構成のような他の技術は、カメラ17の位置を制御するために追加のハードウェアを必要とします。それは限り、写真は、異なる角度から撮影することができるように、さまざまなシナリオで行うことができるので、MVSは可撓性です。これは、よりRELEなっ機能です。vant潜在的な臨床応用を検討。対照的に、このようなモーショントラッキングのような他の技術は、特定のセットアップを必要とし、任意の位置18で行うことができません。 MVSのもう一つの特徴は、3Dジオメトリの製造です。このようなデジタル画像相関（DIC）のような他の技術は、2次元運動39を追跡するために好ましいです。ここに示された結果は、忠実な組織拡張の際に誘発される3次元形状を再構築するために、市販のアルゴリズムの能力を披露しました。
3Dジオメトリから、変形を計算する必要があります。このプロトコルは、スプライン表面IGA運動学の使用に依存しています。いくつかのコントロールポイントは薄い膜40の分析のために必要とされる高い連続性と滑らかな形状をパラメータ化するためのスプラインが有用です。このアプリケーションでのスプラインの最大の利点は、パラメータ空間の概念です。有限ELEのような他の技術、メントは、グローバルパラメータドメインを欠いています。このような不規則なパッチのシミュレーションなどの特定の問題のために便利であるが、明示的なパラメータを有する、（穴を有する、例えばパッチの）直接的な方法内の任意の2つの構成間ストレッチの決意を可能にします。例えば、二つの異なる分析がここに示された：慢性および急性の変形を。このプロトコルを持つグリッドで株を計算するには、すべての面が同じパラメータ領域を持っているので、興味の二つの面のスプラインを提供するのに十分です。
組織拡大の間に、皮膚はその後、再建手術のために使用することができる新しい外皮を生成する、表面領域に成長させることにより適用される変形に応答します。長期間にわたって皮膚の臨床的に関連する変形を特徴づけることは、この器官のメカノの我々の理解を向上させるだけでなく、定量的な術前のツールの開発を可能にすることができます。プロトコルは彼女を説明しましたeは、特に臨床現場への潜在的な翻訳と実験計画の必要性に取り組みます。
このテクニックをマスターした後、将来のアプリケーションまたは方向
このプロトコルで使用されているソースコードは、簡単に他のアプリケーションに調整することができ、よりユーザフレンドリーな実装に組み込むことができます。この論文を備え、スプライン基底関数を評価スプライン表面上の連続フィールドをパラメータ化、これらの連続フィールドを統合し、変形勾配、膜および曲げひずみを計算するためのルーチンです。我々は、このソースコードは、最終的に組織拡大の実際の臨床応用に使用されるだけでなく、他のアプリケーションを可能にすることが可能なツールに向けて進化し続けることを期待しています。作品のもう一つの未来の面積は、このプロトコルの改善は考慮機械的性質や組織における応力とだけでなく、運動に取ることです。
神父臨床的に関連する観点OM、このプロトコルは、地域組織変形のバリエーション、ならびに異なる膨張形状および膨張率31、32との間の差を定量化することができます。さらなる研究は、組織の応答に異なる展開パラメータの影響を評価するために継続するために必要とされます。また、適応の生物学的メカニズムに重点を置いたブタモデルの更なる改良が伸び過ぎし、皮膚の適応を制御する基本的なメカニズムを解明することができます。究極の目標は、臨床設定にそれを翻訳するために、ブタモデルでプロトコルを検証することです。
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Disclosures
STheの著者は、開示することは何もありません。
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/ |
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