Summary
Este protocolo utiliza múltiples vistas estéreo para generar tres dimensiones (3D-models) fuera de las secuencias no calibrados de fotografías, lo que es asequible y ajustable a un entorno quirúrgico. mapas de deformación entre los modelos 3D se cuantifican con cinemática isogeometric basado-spline, que facilitan la representación de superficies lisas más de mallas gruesas que comparten la misma parametrización.
Introduction
La expansión de tejido es una técnica común en cirugía plástica y reconstructiva que crece la piel in vivo para la corrección de grandes defectos cutáneos 1. Neumann, en 1957, fue el primer cirujano para documentar este procedimiento. Se implanta un globo debajo de la piel de un paciente y se infla gradualmente durante un período de varias semanas para crecer nuevo tejido y resurgir una oreja 2. La piel, como la mayoría de los tejidos biológicos, se adapta a las fuerzas aplicadas y deformaciones con el fin de alcanzar la homeostasis mecánica. Cuando se estira más allá del régimen fisiológico, piel crece 3, 4. Una de las ventajas fundamentales de la expansión del tejido es la producción de la piel con la vascularización adecuada y el mismo cojinete de pelo, propiedades mecánicas, color y textura que el tejido circundante 5.
Después de su introducción hace seis décadas, la piel expansion ha sido ampliamente adoptado por los cirujanos plásticos y de reconstrucción y se utiliza actualmente para corregir quemaduras, grandes defectos congénitos, y para la reconstrucción de mama después de la mastectomía 6, 7. Sin embargo, a pesar de su uso generalizado, procedimientos de expansión de la piel puede dar lugar a complicaciones 8. Esto se debe en parte a la falta de suficiente evidencia cuantitativa necesaria para entender la mecanobiología fundamental del procedimiento y para guiar al cirujano durante la planificación preoperatoria 9, 10. Los parámetros clave en esta técnica son la tasa de llenado, el volumen de llenado por inflación, la selección de la forma y tamaño del expansor, y la colocación del dispositivo 11, 12. planificación preoperatoria actual se basa en gran medida en la experiencia del médico, lo que resulta en una amplia variedad de protocolos arbitrarios que a menudo difieren greatly 13, 14, 15.
Para hacer frente a las lagunas de conocimientos actuales, presentamos un protocolo experimental para cuantificar deformación por expansión inducida en un modelo animal porcino de la expansión del tejido. El protocolo se basa en el uso de múltiples vistas estéreo (MVS) para reconstruir geometrías tridimensionales (3D) de secuencias de imágenes en dos dimensiones (2D) con posiciones de cámara desconocidos. El empleo de splines, la representación de superficies lisas conduce al cálculo de los mapas de deformación correspondientes por medio de una descripción isogeometric (IGA). El análisis de la geometría se basa en el marco teórico de la mecánica del continuo de membranas que tienen una parametrización explícita 16.
La caracterización de las deformaciones fisiológicamente relevantes de substancias durante largos períodos de tiempo viviendo todavía sigue siendo un problema difícil. Las estrategias comunes paraformación de imágenes de tejidos biológicos incluyen estereoscópica de correlación de imágenes digital, sistemas de captura de movimiento comerciales con marcadores reflectantes, y el vídeo biplano fluoroscopia 17, 18, 19. Sin embargo, estas técnicas requieren una configuración experimental restrictivo, son generalmente caros, y se han utilizado principalmente para ex vivo o aguda en entornos in vivo. La piel tiene la ventaja de ser una estructura delgada. A pesar de que se compone de varias capas, la dermis es en gran parte responsable de las propiedades mecánicas del tejido y de este modo la deformación de la superficie es de importancia primaria 20; supuestos cinemáticas razonables se pueden hacer en relación con la deformación fuera del plano 21, 22. Por otra parte, la piel ya está expuesta al ambiente exterior, por lo que es posible el uso de herramientas convencionales de imágenes para capturar su geometría. MARIDOERE proponemos el uso de MVS como un enfoque asequible y flexible para monitorizar deformaciones in vivo de la piel durante varias semanas sin interferir mayormente con un protocolo de la expansión del tejido. MVS es una técnica que extrae representaciones 3D de objetos o escenas de una colección de imágenes en 2D con la cámara desconocida ángulos de 23. Sólo en los últimos tres años, han aparecido varios códigos comerciales (véase la lista de materiales para ejemplos). La alta precisión de la reconstrucción modelo con MVS, con errores tan bajas como 2% 24, hace que este enfoque adecuado para la caracterización cinemática de la piel in vivo durante largos períodos de tiempo.
Para obtener los correspondientes mapas de deformación de la piel durante la expansión del tejido, puntos entre dos configuraciones geométricas se hacen coincidir. Convencionalmente, los investigadores en biomecánica computacionales han utilizado mallas de elementos finitos y análisis inverso para recuperar el mapa de deformación25, 26. El enfoque IGA empleado aquí utiliza funciones de base spline, que ofrecen varias ventajas para el análisis de membranas delgadas 27, 28. A saber, la disponibilidad de polinomios alto grado facilita representaciones de geometrías lisas incluso con mallas muy gruesas 29, 30. Además, es posible para adaptarse a la misma parametrización subyacente a todos los parches de superficie, lo que evita la necesidad de un problema inverso para tener en cuenta discretizaciones no coincidentes.
El método aquí descrito abre nuevas vías para estudiar la mecánica de la piel en los ajustes pertinentes en vivo durante largos períodos de tiempo. Además, tenemos la esperanza de que nuestra metodología es un paso que permite hacia el objetivo final de desarrollar herramientas computacionales para la planificación del tratamiento personalizado en el entorno clínico. </ P>
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Protocol
Este protocolo implica experimentos con animales. El protocolo fue aprobado por el IRB de Ann y el Hospital de Robert H. Lurie Children of Chicago Centro de Investigación de Cuidado de Animales y el empleo Comisión para garantizar un trato humano a los animales. Los resultados para dos estudios de expansión que utilizan este protocolo se han publicado en otros lugares 16, 31.
La ejecución de este protocolo requiere un equipo con experiencia complementaria. La primera parte del protocolo describe el procedimiento quirúrgico en el modelo animal, que requiere personal con la formación médica apropiada. El análisis posterior, en particular las secciones 4 y 5, implica conocimientos básicos de programación de ordenador en C ++ y Python, y el uso de una cáscara de línea de comandos.
1. Procedimiento quirúrgico para la colocación del ampliador
NOTA: El personal involucrado en la operación deben ser lavados y vestida de una manera estéril. sterile toallas y cortinas se aplican en todo el campo quirúrgico para mantener la esterilidad. Todos los instrumentos, suturas, y expansores de tejido se reciben en un envase estéril y manejados sólo por personal estériles. La esterilidad del lugar de la operación no debe ser violada hasta que se completa el procedimiento.
- Aclimatarse a un mes de edad, los cerdos enanos de Yucatán machos a una vivienda estándar para una semana, y se alimentan ad libitum.
- En el día de la cirugía, anestesiar al animal usando ketamina / acepromazina para la inducción (4 - 6 mg / kg), a continuación, isoflurano para el mantenimiento. Evaluar profundidad de la anestesia mediante la supervisión del reflejo palpebral. También, vigila los signos vitales (frecuencia cardíaca, la temperatura corporal, frecuencia respiratoria, y / o de respuesta a pellizcar por fórceps de tejido). Aplique una pomada oftálmica a los ojos para proteger contra las abrasiones corneales.
- Administrar antibióticos pre-procedimiento y limpiar la piel dorsal con jabón quirúrgico a base de clorhexidina. Transferencia de cuatro 10 x 10 cm 2 rejillas, dos a cada lado de laanimal, con 1 cm marcas de la línea a la piel de cerdo utilizando medio de transferencia de tatuaje. Las rejillas se corresponden con las cuatro regiones siguientes: rostral izquierda, derecha rostral, caudal izquierdo, derecho y caudal. Utilice una plantilla con una referencia en la línea media para asegurar la colocación simétrica de los patrones de rejilla.
- Crear las rejillas en el papel mediante el trazado de la red se describen en gran medida con un bolígrafo. Lavar la zona en el animal donde la red es para ser colocado con alcohol isopropílico.
- Aplicar la rejilla (lado pen-tinta hacia abajo) directamente sobre la piel. El alcohol sirve para leech parte de la tinta fuera del papel, la transferencia de la red a la piel del animal.
- Inyectar anestésico local (lidocaína al 1% con epinefrina 1: 100.000) por vía subcutánea en el sitio de cada incisión planeada.
- Hacer una incisión a cada lado del animal en el punto medio entre las dos rejillas.
NOTA: Las incisiones se colocan en el lado izquierdo y derecho del animal entre las 2 rejillas enese lado. Hay una incisión izquierda lados y una incisión cara derecha - Usar un hemostato para desarrollar un túnel subcutáneo debajo de la rejilla de interés. Después de desarrollar un túnel, insertar el expansor debajo de la rejilla.
NOTA: Los túneles se colocan bajo cualquier cuadrícula que tendrá un expansor de tejido. - Coloque el puerto para la inflación expansor de forma remota a través de un túnel subcutáneo desarrollado de una manera similar a lo largo de la línea media dorsal del animal. heridas de reparación por sutura.
- Después de la operación, tratar al animal con antibióticos profilácticos (Ceftiofur 5 mg / kg IM una vez), así como analgésicos (buprenorfina 0,05 hasta 0,1 mg / kg) mediante inyección intramuscular cada 12 h durante 4 dosis, con dosis adicionales disponibles para evidencia de sufrimiento animal.
- Observar a los animales de forma continua durante 2 h después de la operación, incluyendo la medición de rutina de los signos vitales hasta que se han reanudado la deambulación y son capaces de mantener la normotermia. Casa del animal en una jaula separada y monitor hasta que it es capaz de caminar de forma independiente en las 4 patas antes de transferir de nuevo a su área de vivienda normal y no lo use.
- Tras el período inmediato de recuperación después de la anestesia, comprobar los animales diariamente para evaluar la cicatrización de heridas. Retire las suturas 14 días después de la operación. Estas incisiones no requieren aderezos. Deje las incisiones para curar durante 3 - 4 semanas antes de comenzar la expansión
2. Protocolo de inflación
NOTA: El momento de las inflaciones y cantidad de solución utilizadas en cada expansor depende siendo estudiado la cuestión específica. Para caracterizar el efecto de diferentes geometrías expansor, un protocolo adecuado es realizar cinco pasos de inflación a los 0, 2, 7, 10, y 15 días para conseguir un llenado volúmenes de 50, 75, 105, 165, y 225 cc, respectivamente.
- Antes de cada etapa de la inflación, sedar al ketamina animales administración (4 - 6 mg / kg) y la dexmedetomidina en 20 - 80 g / kg.
NOTA: La dexmedetomidina es unan agonista alfa-adrenérgico que puede ser revertida con atipamezol (1: 1 volumen: volumen) para facilitar la recuperación más rápido; sin embargo, este nivel de sedación puede no ser adecuada para el animal de tolerar expansión sin riesgo indebido de daño al animal o manipuladores. Si este es el caso, administrar anestesia general mediante la entrega de isoflurano a través de ventilación de la máscara después de la inducción de ketamina / acepromazina. - Adjuntar dos cintas métricas flexibles de plástico a la piel del animal utilizando cinta quirúrgica. Colocar las cintas métricas entre las rejillas en los lados izquierdo y derecho.
- Colocar el animal en un lado y la adquisición de 30 fotografías de la escena desde tantos ángulos diferentes como sea posible.
NOTA: El objetivo es capturar la geometría de las dos rejillas visibles cuando el animal está colocando en un lado.- En primer lugar, la posición de la cámara por encima del animal y que se inclina hacia el lado caudal, para capturar una escena en la que las rejillas tatuadas son totalmente visibles y llenar el encuadre.
- METROove en un patrón circular alrededor del animal en un arco desde el caudal a la dirección rostral, tomando fotografías lo largo del camino, asegurando que, para cada fotografía, las rejillas tatuados que son visibles aparece en su totalidad en el marco.
- Al mismo tiempo, tratar de maximizar el espacio que ocupan las rejillas en el marco. Un tiro ideal sería capturar el lomo del animal con las rejillas tatuados y sólo pequeñas regiones de fondo.
- A continuación, coloque la cámara hacia el lado ventral para captar un ángulo de tiro que es aproximadamente paralelo al suelo y tomar fotografías en un arco desde la ventral a la región dorsal.
NOTA: La cantidad de fotografías no es un valor fijo. Para una buena reconstrucción, cada punto de la cuadrícula tatuado debe estar en al menos 3 fotografías; 30 fotografías en total es una cantidad adecuada para el éxito de la reconstrucción de la geometría.
- Colocar el animal en el lado opuesto y tomar 30 fotografías de los dosrejillas restantes siguiendo los mismos pasos descritos anteriormente.
- Realizar la etapa de la inflación por encontrar el orificio de llenado a distancia y la inyección de la cantidad requerida de solución salina correspondiente al protocolo expansión de interés. Utilice solución salina inyectable estéril al 0,9%.
- Localizar los puertos y de preparación sobre la piel del animal con toallitas con alcohol isopropílico. Acceder al puerto con una aguja de mariposa de calibre 25 estéril unida a una jeringa llena con solución salina inyectable estéril.
NOTA: Como se describió anteriormente, los puertos se tunelizan subcutáneamente a una posición en el dorso línea media anterior durante la colocación expansor. - Se inyecta la cantidad deseada de solución salina. Por favor refiérase a la nota al comienzo de esta sección para obtener los volúmenes de inflado inyectados en cada paso del proceso de expansión.
- Localizar los puertos y de preparación sobre la piel del animal con toallitas con alcohol isopropílico. Acceder al puerto con una aguja de mariposa de calibre 25 estéril unida a una jeringa llena con solución salina inyectable estéril.
- Repita los pasos de adquisición de fotos después de la inflación.
- Una vez que el protocolo de la inflación se ha completado, la eutanasia a los animales.
- administrar en generalanestesia mediante la entrega de isoflurano a través de ventilación de la máscara después de la inducción de ketamina / acepromazina. Evaluar profundidad de la anestesia mediante la supervisión del reflejo palpebral. También, vigila los signos vitales (frecuencia cardíaca, la temperatura corporal, frecuencia respiratoria, y / o de respuesta a pellizcar con pinzas de tejido).
- La eutanasia a los animales por sobredosis intravenosa de pentobarbital 90 a 100 mg / kg. Después de la sobredosis de pentobarbital para la eutanasia, confirmar la muerte por la ausencia del latido del corazón detectable usando un oxímetro de pulso y la palpación de pulsos, así como la ausencia de respiración espontánea.
3. Multi-vista de Reconstrucción estéreo
- Utilice el software disponible comercialmente para cargar los archivos de imagen y reconstruir los modelos geométricos.
- Iniciar el software MVS en el navegador y conectarse.
- Seleccionar las fotos a 3D en la esquina superior izquierda.
- Haga clic en añadir fotos, vaya a la ubicación de la imedades y seleccione manualmente las 30 fotografías que corresponden a un único modelo.
- Nombre del modelo y haga clic en crear
- Esperar a que se va a crear el modelo. Esto puede tardar varios minutos. Haga clic en el salpicadero a la derecha para volver a la página de destino original del software.
NOTA: El tablero de instrumentos muestra imágenes representativas de los modelos geométricos que han sido creados por el usuario. - Coloque el cursor en el modelo que se acaba de crear. Coloque el cursor en la esquina inferior derecha de la imagen del modelo. Haga clic en descargas y selecciona obj.
4. Spline Fit Superficie
- Utilice el software de código abierto para procesar los modelos geométricos.
- Haga clic en Archivo-> Import> obj para importar el archivo generado por el software de MVS. En la parte inferior de la vista 3D, haga clic en la ventana gráfica sombreado y seleTextura ct. Busque una pestaña de la derecha de la vista 3D con los submenús: Transformar, Grease Pencil, Vista, 3D lápiz, etc. Haga clic en sombreado y seleccione Shadeless.
- Haga clic derecho sobre la geometría para seleccionarlo. En la parte inferior de la vista 3D, seleccione el modo de edición para visualizar la malla triangular.
- Seleccione uno por uno los nodos en las marcas de 1 cm de la cinta métrica.
- Para seleccionar un punto, haga clic derecho sobre el mismo, y poner de relieve el punto. Coordenadas del punto aparecen en la pestaña de la parte derecha de la vista 3D. Seleccionar y copiar las coordenadas del punto seleccionado a un archivo de texto.
- Repetir esta operación para todos los puntos de las marcas de 1 cm de la cinta métrica.
- Haga esto para ambas cintas métricas. Ejemplos de coordinar archivos de texto son proporcionard: tape1.txt, tape2.txt.
NOTA: Si no hay ningún nodo de la malla en el lugar de interés, subdividir la malla hasta que hay un nodo en el lugar de interés. Para subdividir la malla seleccionar los tres vértices de un triángulo pulsando la tecla Shift y clic derecho en los vértices. A continuación, haga clic en el botón Subdivide en la ficha que aparece en el lado izquierdo de la vista 3D. Esta operación añade tres nodos más en el interior del triángulo seleccionado.
- Seleccionar los 11 x 11 puntos de la cuadrícula y guardar las coordenadas de los 121 puntos a un archivo de texto en el patrón mostrado en la Figura 1.
- De forma análoga a lo que se hizo para las cintas métricas, para seleccionar un punto de la cuadrícula, haga clic derecho sobre el mismo, se resaltará el punto. Coordenadas para el punto aparecerá en la pestaña en la parte derecha de la vista 3D. Seleccionar y copiar las coordenadas del punto seleccionado a un archivo de texto
NOTA: La numeración de los puntos de la rejilla es alwcaudal ays a rostral y de la línea media dorsal hacia la región ventral. Este ordenamiento garantiza que el espacio de parámetros es consistente para cualquier par de parches. Como un ejemplo, se proporciona la gridReference.txt archivo que contiene las coordenadas de 121 puntos de un parche para la piel.
- De forma análoga a lo que se hizo para las cintas métricas, para seleccionar un punto de la cuadrícula, haga clic derecho sobre el mismo, se resaltará el punto. Coordenadas para el punto aparecerá en la pestaña en la parte derecha de la vista 3D. Seleccionar y copiar las coordenadas del punto seleccionado a un archivo de texto
- Descarga, compilar e instalar las bibliotecas spline C ++. El splineLibraryInstallation.txt archivo contiene el enlace al código fuente de las bibliotecas estriados y las instrucciones para su instalación.
- Compilar el código fuente generateCurve.cpp para generar el ejecutable generateCurve
NOTA: El generateCurve programa sólo necesita ser compilado una vez. Para compilar este código fuente de C ++ y generar un ejecutable, siga las instrucciones en la parte superior del archivo de código fuente generateCurve.cpp. - Utilice el programa generateCurve para adaptarse a las estrías de las cintas métricas y para los puntos de la rejilla. Para ejecutar el ejecutable en un Bshell ceniza, tipo
directorio $ ./generateCurve- Al ejecutar el programa, se le pedirá al usuario que escriba en la ruta de acceso al archivo que contiene las coordenadas de la cinta métrica. A continuación, el programa le pedirá un nombre para el archivo de salida. Añadir la terminación .g2 al nombre de archivo.
NOTA: La terminación .g2 es sinónimo de herramientas go, y se asocia a las bibliotecas de spline. Dos ejemplos de archivos de ranura correspondientes a las medidas de la cinta están disponibles con este protocolo (tape1.g2, tape2.g2).
- Al ejecutar el programa, se le pedirá al usuario que escriba en la ruta de acceso al archivo que contiene las coordenadas de la cinta métrica. A continuación, el programa le pedirá un nombre para el archivo de salida. Añadir la terminación .g2 al nombre de archivo.
- Usar la scalePoints.py script en Python para escalar los puntos de la rejilla. Ejecutar el programa en el intérprete de comandos Bash con tres argumentos: el nombre del archivo de los puntos de la rejilla y los nombres de archivo de las ranuras correspondientes a las cintas métricas
directorio $ pitón scalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
NOTA: La secuencia de comandos scalePoints.py importa los guiones B_spline.py y NURBS_Curv e.py, por lo tanto, los tres guiones deben estar en la misma carpeta. - Compilar el código fuente generateSurface.cpp para generar el generateSurface ejecutable.
NOTA: Este paso sólo hay que hacer una vez. Instrucciones más detalladas están disponibles al principio del archivo de código fuente generateSurface.cpp. - Utilice el programa generateSurface para adaptarse a una superficie spline a los puntos de la rejilla. Ejecutar el generateSurface ejecutable en el intérprete de comandos
directorio $ ./generateSurface- Al ejecutar el programa en una cáscara le pedirá el nombre del archivo que contiene los puntos de escala. A continuación, se le pedirá el nombre del archivo de salida. Añadir el .g2 terminación al archivo de salida.
NOTA: La terminación .g2 es sugerido por las bibliotecas de los dientes y el sinónimo de herramientas go. Los archivos gridReference.g2 y gridDeformed.g2 se proporcionan como ejemplos.
- Al ejecutar el programa en una cáscara le pedirá el nombre del archivo que contiene los puntos de escala. A continuación, se le pedirá el nombre del archivo de salida. Añadir el .g2 terminación al archivo de salida.
- Iniciar Python en el intérprete de comandos Bash
directorio $ pitón
NOTA: Python inicializa el intérprete, que es una interfaz similar a la cáscara que mostrará un nuevo entorno de línea de comandos >>> - Importar el guión expansionIGA.py que contiene una función llamada evaluateMembraneIGA
>>> de expansionIGA evaluateMembraneIGA importación - Llame a la evaluateMembraneIGA función para calcular los mapas de deformación.
NOTA: Esta función toma como argumentos:
Nombre de archivo de la superficie de referencia
Nombre de archivo de la superficie deformada
Resolución de la evaluación (¿cuántos puntos son evaluadas en cada dirección)
Valor mínimo del tramo área utiliza para escalar el gráfico de contorno
Valor máximo del tramo área utiliza para escalar el gráfico de contorno
El valor mínimo de estiramiento en dirección longitudinal nosotrosed a escala los contornos
valor máximo de estiramiento en dirección longitudinal utiliza para escalar los contornos
El valor mínimo de estiramiento en dirección transversal utiliza para escalar los contornos
valor máximo de estiramiento en dirección transversal utiliza para escalar los contornos
El espacio entre las líneas de la cuadrícula en el gráfico de contorno
Nombre del archivo de salida- Por ejemplo, ejecute
>>> evaluateMembraneIGA ( 'gridReference.g2', 'gridDeformed.g2', 250, 3, 0,5, 2, 0,5, 2, 0,5, 25, 'deformación')
NOTA: Este comando va a generar y guardar seis archivos de salida. Tenga en cuenta que el último argumento en el ejemplo anterior es la deformación archivo de salida, por lo tanto, los archivos que se van a generar son:
gráfico de contorno del tramo área: deformation_theta.png
deformation_theta.txt: tabla de valores correspondientes a la gráfica de contorno de de estiramiento de área
gráfico de contorno de la alon tramo: deformation_G1.pngg del eje longitudinal del animal
deformation_G1.txt: tabla de valores correspondientes a la gráfica de contorno de los tramos a lo largo del eje longitudinal del animal
gráfico de contorno del componente de estiramiento en el eje transversal del animal: deformation_G2.png
deformation_G2.txt: tabla de valores correspondientes a la gráfica de contorno de la componente del tramo en el eje transversal del animal
NOTA: No se debe confundir la terminación de la spline archivos, .g2, con el vector de G2. Los archivos spline han terminando .g2 siguiendo las convenciones de nomenclatura de la biblioteca spline. Por otro lado, los vectores G1 y G2 indican las direcciones longitudinal y transversal con respecto al animal.
NOTA: Los archivos se generan curvas de nivel con características distintas en las cuatro esquinas para facilitar la interpretación del espacio de parámetros: pixel Negro: más caudal, el punto más dorsal; esquina de píxeles de color rojo: MOSt rostral, el punto más dorsal; esquina píxel verde: la mayoría, el punto más ventral caudal; esquina píxel azul: más rostral, el punto más ventral.
- Por ejemplo, ejecute
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Representative Results
Esta metodología se ha empleado con éxito para estudiar la deformación inducida por diferentes geometrías de expansión: rectángulo, esfera y expansores de media luna 31, 32. Los resultados correspondientes a los expansores de esfera y de media luna se discuten a continuación. La Figura 2 ilustra los tres pasos de MVS reconstrucción modelo. El punto de partida es una colección de fotografías de una escena estática. El animal con las rejillas tatuados y las cintas métricas yacía inmóvil como las fotografías fueron tomadas desde diferentes ángulos. Las características algoritmo de MVS compensada entre las fotografías para extraer las coordenadas 3D. Como resultado, se generó un modelo geométrico que consiste en una malla triangular con textura.
El protocolo se describe aquí se puede utilizar para investigar diferentes aspectos del proceso de la expansión del tejido. las variacionesen cepas regionales inducidos por esfera y de media luna expansores es un aspecto importante del proceso de expansión ya que conduce a variaciones regionales en la cantidad de piel crecido. Ambos dispositivos se llenaron hasta el mismo volumen en cada punto de tiempo. Cinco pasos de inflación se realizaron a 0, 2, 7, 10, y 15 días para generar volúmenes de llenado de 50, 75, 105, 165, y 225 cc. La Figura 3 muestra fotografías de las rejillas de la piel expandido en el extremo de cada paso de la inflación. Los expansores estiran la piel y la deformación era evidente por la distorsión de la rejilla con el tiempo.
Para cada configuración de la rejilla se generó una superficie spline como se describe en la sección de Protocolo. Las deformaciones se calcularon por la elección de una referencia y una rejilla deformada, como se ilustra en la Figura 1. Los resultados de dos tipos diferentes de análisis se discuten aquí. Para estudiar la deformación crónica, el cerdo en el día 0 fue seleccionado como tConsigna y que en comparación con todos los otros puntos de tiempo. Comparando el final de cada paso de inflación a los resultados de la configuración de referencia en los trazados de contorno mostrados en la Figura 4. La metodología que aquí se presenta extrae tres medidas de deformación. El cambio de área se denota θ, el estiramiento en la dirección longitudinal se denomina λ G1, y G2 λ es el estiramiento en la dirección transversal, como se muestra en la Figura 1. La progresión de los cambios de la zona y se extiende en las dos direcciones ortogonales para la esfera y de la media luna expansores se representan en la Figura 4. superficies Spline son generalmente lisa y por lo tanto los correspondientes gráficos de contorno eran lisas. Sin embargo, la tosquedad de la malla se evidenció por los contornos que mostró características spot. Una malla más fina aumentaría la fidelidad de los mapas de deformación. Sin embargo, las diferencias entre diferentes geometrías de expansión fue inmediatamente apparent y cuantificable. A pesar de que ambos expansores se llenaron en el mismo volumen, el expansor esférica induce una deformación más grande. La variación espacial de los gráficos de contorno reveló que la piel se estiró más en el centro del expansor en comparación con la periferia de la rejilla. Los resultados se resumen en la Tabla 1.
Un segundo análisis consistió en determinar la deformación aguda en cada paso de la inflación. En este caso, la configuración de referencia era la rejilla justo antes de la expansión, y la rejilla deformada era que inmediatamente después de la etapa de la inflación. Las deformaciones inducidas en cada paso de inflación fueron notablemente similares en promedio entre los diferentes puntos de tiempo. El resumen está contenida en la Tabla 2. En promedio, la deformación estaba cerca de 1 (donde 1 sería la ausencia de deformación). La inspección de los mapas de contorno mostrados en la Figura 5 mostró variaciones espaciales evidentes. A pesar de que no había casi ninguna deformación en promedio, algunas zonas de la cuadrícula se estiraron mientras que otros se encogieron con respecto a la referencia. Similar al análisis de la deformación crónica, las regiones del centro eran los que están siendo estirados al máximo.
En los dos casos agudos y crónicos, tramos longitudinales y transversales mostraron una clara tendencia indicativa de anisotropía. De la piel, como la mayoría de los tejidos de colágeno, muestra una orientación de la fibra preferida contribuyendo a un anisotrópico respuesta mecánica 25. En el caso de la piel en la parte trasera de un cerdo, se cree que las fibras de estar alineados transversalmente 33. Nuestros experimentos mostraron que durante la expansión de la piel, los tramos en las direcciones longitudinales fueron siempre mayores que los que a lo largo de la dirección transversal. Esto fue cierto tanto para la esfera y los expansores de media luna, en todos los puntos de tiempo, y para el conto deformación aguda y crónicaurs. Este resultado apoya la hipótesis de que la anisotropía de la piel puede afectar a las deformaciones inducidas durante un procedimiento de expansión del tejido.
Figura 1: Rejilla Configuraciones y espacio de parámetros. Grids son tatuados en la parte posterior de los animales y se fotografiaron con medidas de la cinta en su lugar con el fin de escalar los modelos geométricos (arriba). Deformación entre una referencia y una configuración deformada se caracteriza por tres variables: área de cambio theta, longitudinal tramo λ G1, y G2 tramo λ transversal (parte superior). La rejilla se parametriza consistentemente por la numeración de los puntos siempre de caudal a rostral y de dorsal a ventral direcciones (parte inferior izquierda). La salida del análisis es un gráfico de contorno sobre el espacio de parámetros. Los contornos están marcados en las esquinas con un píxel, que takes el color negro, rojo, verde, y azul, para facilitar la identificación de caudal, rostral, dorsal, y los lados ventrales (inferior derecha). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Multi-vista Reconstrucción estéreo de un proceso de expansión. MVS es un algoritmo de visión por ordenador que toma como entrada fotografías desde diferentes ángulos con posiciones de cámara desconocidos (izquierda). El algoritmo coincide características a través de las imágenes para encontrar las coordenadas 3D (centro). La salida del algoritmo es una malla triangular con el superpuesto textura (derecha). (Figura adaptado con permiso de 31) Por favor, haga clicaquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Expansión de Esfera y la Media Luna expansores. Esfera (fila superior) y la media luna (fila inferior) expansores se colocaron por debajo de la piel tatuada en la parte posterior de un cerdo y se inflan en los días 0, 2, 7, 10, y 15 días para generar volúmenes de llenado de 50, 75, 105, 165 y 225 cc. (Figura adaptado con permiso de 31). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Deformación crónica inducida por Esfera y la Media Luna expansores. Las rejillas tatuados se convirtieron a spline superficies para el análisis (las filas 1 y 2).Tomando la referencia para ser la red a día 0, se calcularon tres medidas de deformación. cambio Area mostró valores progresivamente mayores con el tiempo, con una mayor deformación en la región central del expansor, y una mayor deformación en la esfera en comparación con la media luna (filas 3 y 4). tramos longitudinales (filas 5 y 6) se parecían a los tramos de la zona, mientras que los tramos transversales (filas 7 y 8) de grupos mostraron de deformación y menos estiramiento comparación con la dirección longitudinal. (Figura adaptada con el permiso de 31) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Deformación aguda inducida por Esfera y la Media Luna expansores. Tomando como referencia la configuración justo antes de un paso de inflación y, comodeformado la configuración inmediatamente después de la inyección de solución en un expansor, se calcularon las deformaciones agudas. Los mapas de deformación se lisa, sin embargo, algunos efectos de borde fueron notables y la tosquedad de la discretización se reflejan en las imágenes a modo de punto de deformación. cambios de la zona (filas 1 y 2) mostraron una variación regional, con mayor estiramiento en la región correspondiente a la expansor. Estiramientos fueron similares en los diferentes puntos de tiempo. La misma tendencia podría ser visto por tramos longitudinales (filas 3 y 4). tramos transversales (filas 5 y 6) mostraron distribuciones más uniformes y valores más bajos en comparación con el caso longitudinal. (Figura adaptada con el permiso de 31) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Tiempo [días] | Volumen [cc] | Área cambio θ | Estiramiento longitudinal λ G1 | Estiramiento transversal λ G2 | |||||||
| máx | min | avg | máx | min | avg | máx | min | avg | |||
| 0 | esfera | 50 | 1.44 | 0,71 | 0.98 | 1.37 | 0,76 | 1 | 1.17 | 0.84 | 0.97 |
| 0 | creciente | 50 | 1.46 | 0,76 | 0.98 | 0.79 | 1 | 1.17 | 0.84 | 0.98 | |
| 2 | esfera | 75 | 1.74 | 0.68 | 1.08 | 1.51 | 0,73 | 1.08 | 1.19 | 0.75 | 1 |
| 2 | creciente | 75 | 1.43 | 0.66 | 1 | 1.31 | 0.65 | 1 | 1.26 | 0,77 | 1 |
| 7 | esfera | 105 | 0.01 | 0.69 | 1.21 | 1.7 | 0.75 | 1.13 | 1.32 | 0.84 | 1.07 |
| 7 | creciente | 105 | 1.66 | 0.83 | 1.15 | 1.4 | 0.87 | 1.11 | 1.33 | 0.86 | 1.03 |
| 10 | esfera | 165 | 2.26 | 0.74 | 1.36 | 1.76 | 0,77 | 1.21 | 1.39 | 0.83 | 1.11 |
| 10 | creciente | 165 | 1.86 | 0.87 | 1.26 | 1.58 | 0.8 | 1.15 | 1.45 | 0.83 | 1.09 |
| 15 | esfera | 225 | 2.77 | 0,72 | 1.52 | 2.01 | 0.69 | 1.29 | 1.47 | 0.89 | 1.18 |
| 15 | creciente | 225 | 1.87 | 0.83 | 1.32 | 1.46 | 0.84 | 1.17 | 1.44 | 0.92 | 1.14 |
| 21 | esfera | 225 | 3.09 | 0.93 | 1.7 | 2.13 | 0.9 | 1.33 | 1.62 | 0.98 | 1.27 |
| 21 | creciente | 225 | 2.25 | 0.87 | 1.49 | 1.66 | 0.85 | 1.25 | 1.67 | 0.96 | 1.2 |
Tabla 1: Resumen de la deformación crónica. Las cepas se calculan teniendo la configuración inicial como la referencia y comparando los parches al final de cada paso de inflación con respecto a ella. El promedio de la deformación atribuido al expansor esfera alcanzó 1,70 en el día 21, mientras que el expansor de media luna deforma 1,49 en la zona por el final de la expansión. Hubo variación espacial significativa y valores máximo y mínimo variaron con respecto a la media. Los tramos longitudinales alcanzaron 1,33 y 1,25 para los expansores esfera y de media luna respectivamente, mientras que los tramos transversales eran más bajos, con valores de 1,27 y 1,20. (Tabla adaptado con permiso de
ONTENIDO" fo: keep-together.within-page = '1'> Tabla 2:.. Resumen de aguda Deformación Las cepas se calcularon tomando la configuración antes de la expansión como la referencia y la configuración inmediatamente después de la etapa de la inflación como la rejilla deformada En promedio, tanto los expansores de esfera y de media luna mostraron tendencias similares, con valores cercanos a 1 lo que indicaría ninguna deformación. sin embargo, debido a las variaciones espaciales, que mide los cambios en la zona de máximas fueron tan alto como 1,60 para la esfera y 1,50 para la media luna. la tramos en las direcciones longitudinales y transversales eran anisotrópica, con los valores máximos de los tramos longitudinales casi siempre más altos que los tramos transversales. (Tabla adaptado con permiso de 31) Tiempo [días] expansor Volumen [cc] Área cambio θ Estiramiento longitudinal λ G1 Estiramiento transversal λ G2 máx min avg máx min avg máx min avg 0 esfera 50 1.32 0,72 0.98 1.44 0.75 1 1.23 0.83 0.97 0 creciente 50 1.5 0,71 0.98 1.3 0.8 1 1.21 0.84 0.98 2 esfera 75 1.36 0.69 0.98 1.26 0.66 1 1.2 0.8 0.98 2 creciente 75 1.31 0.61 0.98 1.24 0.8 1.01 1.34 0.68 0.97 7 esfera 105 1.4 0.79 0.98 1.3 0.57 1 1.2 0,77 0.98 7 creciente 105 1.37 0.59 1 1.6 < / Td> 0.83 1.02 1.16 0,77 0.98 10 esfera 165 1.6 0,73 1.01 1.35 0.6 1.02 1.25 0.75 0.99 10 creciente 165 1.48 0.58 1.01 1.42 0.75 1.02 1.22 0,77 1 15 esfera 225 1.27 0,73 1.01 1.35 0.55 1.02 1.22 0.79 0.98 15 creciente 225 1.34 0.54 1.02 1.37 0.8 1.02 1.32 0,81 1
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Discussion
Aquí presentamos un protocolo para caracterizar las deformaciones inducidas durante un procedimiento de expansión del tejido en un modelo porcino usando múltiples vistas estéreo (MVS) y la cinemática isogeometric (cinemática IgA). Durante la expansión del tejido, piel sufre grandes deformaciones que van de una superficie lisa y relativamente plana a una forma 3D de cúpula. De la piel, al igual que otras membranas biológicas 34, responde a estirar mediante la producción de nuevo material, el aumento en el área que se puede utilizar a continuación para los propósitos reconstructivos 35. Por lo tanto, la determinación exacta del tramo producida por un expansor es crucial para entender los mecanismos que regulan la adaptación de la piel. La planificación de un procedimiento de expansión es un reto porque expansores tisulares vienen en diferentes tamaños y formas, la distribución de estiramiento no es uniforme sobre toda el área expandida y depende de la ubicación y la tasa de inflación 11,ref "> 36. Tener un protocolo para estimar con precisión la deformación de expansión inducida y capaz de resolver grandes tensiones, formas en 3D, y las variaciones regionales, abre nuevas vías para estudiar la regulación mecánica del crecimiento de la piel, y con el tiempo puede conducir a herramientas de planificación preoperatoria cuantitativos . hacia ese objetivo, hemos desarrollado una metodología no invasiva, asequible, y flexible para medir la deformación en un modelo porcino de expansión de la piel 32.
Los pasos críticos
Los modelos animales para la expansión del tejido han sido bien caracterizado por más de dos décadas 37. piel porcina muestra propiedades comparables a integumento humano. Además, la expansión de la piel en cerdos sigue un procedimiento similar a como se haría en los seres humanos 38. El procedimiento de expansión de tejido es la piedra angular para el éxito de este protocolo. cirujanos experimentados, los expertos en la expansión del tejido, realizó el technique en el modelo animal presenta aquí.
La piel está convenientemente expuesta al ambiente exterior y es una membrana delgada, por lo tanto su deformación puede ser caracterizado por puntos de seguimiento en su superficie 17. MVS ofrece una técnica flexible y asequible para estudiar las deformaciones de la piel 3D in vivo durante largos períodos de tiempo. Este algoritmo toma como entrada un conjunto de fotografías de una escena estática y utilice la coincidencia de función a través de las fotografías para extraer las coordenadas 3D. reconstrucción MVS y el análisis cinemático subsiguiente dependen críticamente de los pasos de adquisición de la foto de este protocolo.
Modificaciones y solución de problemas
Durante la expansión del tejido, el dispositivo puede migrar fuera de la red debido al movimiento de los animales y el aflojamiento de la bolsa en el que el expansor se colocó originalmente. Si el área expandida se mueve fuera de la red, el expansor debe ser desinflado y retirado. esta problema se ha encontrado utilizando el protocolo en uno de cada ocho rejillas 31, 32. Expansores también pueden tener fugas si son defectuosos o se perfora durante el protocolo de la inflación. Esto también compromete la validez del experimento y la seguridad del animal, por lo tanto, el expansor debe ser eliminado. Este problema se ha encontrado con el uso de este protocolo en uno de cada ocho rejillas 31, 32.
MVS reconstrucción puede ser un reto para algunos conjuntos de fotografías debido a los efectos de iluminación, falta de concentración, y el ruido de fondo 23. A pesar de que las herramientas comerciales para MVS son de gran alcance, si los resultados no son lo suficientemente precisos en un primer momento, los siguientes pasos para solucionar problemas siempre han corregido el problema en nuestra experiencia: eliminar manualmente el fondo en las fotografías; seleccionar un subconjunto de fotografías con el enfoque más definido y desechar i borrosamagos; seleccionar manualmente puntos coincidentes a través de fotografías en la interfaz de software comercial.
Limitaciones de la técnica
Como se discutió anteriormente, tegumento porcino es similar a la humana 38, sin embargo, todavía hay diferencias. Por lo tanto, un modelo porcino no se espera que sea completamente predictivo de los protocolos de la expansión del tejido humano 37. Otra limitación del protocolo es la falta de herramientas comerciales o software fácil de usar para analizar los modelos geométricos. Actualmente, una vez que se genera la geometría a través de MVS, el análisis se realiza con código interno que consiste en C ++ y scripts de Python. Mientras que, por un lado, el método propuesto es creativo y ofrece una manera económica, conveniente estudiar la mecánica de los tejidos blandos durante largos períodos de tiempo, el análisis de datos depende de tecnologías que sólo han sido populares durante la última década 27. para CIRCUMventilar esta limitación, proporcionamos nuestra aplicación de subrutinas spline con esta presentación. Una limitación más es la restricción de una rejilla tatuada con el fin de realizar un seguimiento de deformaciones crónicas. La necesidad de una rejilla tatuado dificulta la traducción del protocolo para la práctica clínica.
Importancia de la técnica con respeto a / Métodos alternativos existentes
Actualmente, los médicos se basan principalmente en su experiencia durante la planificación preoperatoria de los procedimientos de expansión de tejido, lo que ha llevado a una amplia variedad de protocolos arbitrarios que a menudo difieren en gran medida 13, 14, 15. El protocolo que se presenta aquí se dirige a las lagunas de conocimiento existentes mediante la cuantificación de deformación por expansión inducida en un modelo animal porcino de la expansión del tejido. Para el conocimiento del autor, este es el primer protocolo para cuantificar mapas de deformación continuas en parches de tamaño considerable de tejido de la piel <sup class = "xref"> 31, 32.
El protocolo es innovador, no invasiva, asequible y flexible; se basa en la evolución reciente de los algoritmos de visión por ordenador, tales como MVS, y el análisis numérico tales como la cinemática IGA. MVS ha avanzado intensamente en la última década, alcanzando los errores de reconstrucción tan bajas como 2% 24. El aumento en el software disponible en el mercado, así como el código de fuente abierta presenta la gran popularidad de este método 41. MVS es asequible, ya que sólo requiere una cámara digital y las fotografías se toman sin calibración de la posición de la cámara. Por el contrario, otras técnicas como la reconstrucción estéreo requieren hardware adicional para controlar la ubicación de la cámara 17. MVS es flexible, ya que se puede realizar en una variedad de escenarios, siempre y cuando se pueden tomar fotografías desde diferentes ángulos. Esta es una característica que se vuelve más releVant cuando se considera una potencial aplicación clínica. En contraste, otras técnicas tales como el seguimiento de movimiento requieren una configuración específica y no se pueden realizar en una ubicación arbitraria 18. Una característica más de MVS es la producción de geometrías 3D. Otras técnicas, tales como la correlación de imágenes digital (DIC), se prefieren para el seguimiento de movimiento 2D 39. Los resultados presentados aquí mostraron la capacidad de los algoritmos comerciales para reconstruir fielmente las formas 3D inducidos durante la expansión del tejido.
A partir de las geometrías 3D, deformaciones tienen que ser calculados. Este protocolo se basa en el uso de la cinemática IGA superficie spline. Splines son útiles porque unos puntos de control parametrizar geometrías lisas con alta continuidad que son necesarios para el análisis de las membranas delgadas 40. La mayor ventaja de estrías en esta aplicación es la noción de un espacio paramétrico. Otras técnicas, tales como ele finitomentos, carecen de un dominio parámetro global. Mientras que esto es conveniente para ciertos problemas tales como la simulación de manchas irregulares (por ejemplo, parches con hoyos), que tienen una parametrización explícita permite la determinación de tramos entre cualquier par de configuraciones en una manera directa. Por ejemplo, se muestran dos análisis diferentes aquí: deformaciones crónicas y agudas. Para el cálculo de las cepas en las rejillas con este protocolo es suficiente para proporcionar las acanaladuras de las dos superficies de interés ya que todas las superficies tienen el mismo dominio de parámetros.
Durante la expansión del tejido, piel responde a la deformación aplicada por el crecimiento en superficie, produciendo nueva tegumento que luego puede ser empleada para la cirugía reconstructiva. La caracterización de las deformaciones clínicamente relevantes de la piel durante largos períodos de tiempo puede mejorar nuestra comprensión de la mecanobiología de este órgano, así como permitir el desarrollo de herramientas cuantitativas preoperatorios. El protocolo de la describióe aborda específicamente la necesidad de un diseño experimental con la traducción potencial para el entorno clínico.
Las aplicaciones futuras o llegar después de dominar esta técnica
El código fuente que se utiliza en este protocolo podría ajustarse fácilmente a otras aplicaciones y podría incorporarse en más implementaciones fáciles de usar. Provisto de este documento son rutinas para evaluar funciones de base spline, parametrizar campos continuos sobre superficies spline, integrar esos campos continuos, y calcular los gradientes de deformación, la membrana y las cepas de flexión. Esperamos que este código fuente continuará evolucionando hacia una herramienta que puede ser finalmente utilizado en aplicaciones clínicas reales de expansión de tejido, así como permitir a otras aplicaciones. Otra área futuro del trabajo es el refinamiento de este protocolo para tener en consideración las propiedades mecánicas y las tensiones en el tejido y no sólo cinemática.
from una perspectiva clínicamente relevante, este protocolo es capaz de cuantificar las variaciones regionales de la deformación del tejido, así como las diferencias entre las diferentes formas de expansión y tasas de inflación 31, 32. Se necesita más trabajo para continuar para evaluar el efecto de diferentes parámetros de expansión en la respuesta del tejido. Por otra parte, un mayor refinamiento del modelo porcino con énfasis en los mecanismos biológicos de adaptación puede ayudar a dilucidar los mecanismos fundamentales que regulan la adaptación piel para estirar demasiado. El objetivo final es el de validar el protocolo en un modelo porcino con el fin de traducir a la práctica clínica.
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Disclosures
sthe autores tienen nada que revelar.
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/ |
References
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