JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. 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
, , , , , ,
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.

Abstract

Tissue expansion is a popular technique in plastic and reconstructive surgery that grows skin in vivo for correction of large defects such as burns and giant congenital nevi. Despite its widespread use, planning and executing an expansion protocol is challenging due to the difficulty in measuring the deformation imposed at each inflation step and over the length of the procedure. Quantifying the deformation fields is crucial, as the distribution of stretch over time determines the rate and amount of skin grown at the end of the treatment. In this manuscript, we present a method to study tissue expansion in order to gain quantitative knowledge of the deformations induced during an expansion process. This experimental protocol incorporates multi-view stereo and isogeometric kinematic analysis in a porcine model of tissue expansion. Multi-view stereo allows three-dimensional geometric reconstruction from uncalibrated sequences of images. The isogeometric kinematic analysis uses splines to describe the regional deformations between smooth surfaces with few mesh points. Our protocol has the potential to bridge the gap between basic scientific inquiry regarding the mechanics of skin expansion and the clinical setting. Eventually, we expect that the knowledge gained with our methodology will enable treatment planning using computational simulations of skin deformation in a personalized manner.

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>

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 ?…

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 ال…

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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by NIH grant 1R21EB021590-01A1 to Arun Gosain and Ellen Kuhl.

Materials

Yucatan miniature swine Sinclair Bioresources, Windham, ME N/A
Antibiotics Santa Cruz Animal Health, Paso Robles, CA sc-362931Rx Ceftiofur, dosage 5mg/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, 20ml
Buprenorphine ZooPharm, Windsor, CO 1 mg/ml sustained release, dosage 0.01 mg/kg intramuscular
Digital camera Sony Alpha33  Standard digital camera with 18-35mm lens, 3.5-5.6 aperture. Used in automatic mode, no flash
Tape measure Medline, Mundelein, Illinois NON171330 Retractable tape measure, cloth, plastic case, 72inches
Tissue expanders PMT, Chanhassen, MN 03610-06-02 4cm x 6cm, rectangular, 120cc, 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).

Tags

Skin ExpansionPorcine ModelMulti-view StereoIsogeometric KinematicsReconstructive SurgeryComputational Analysis3D ImagingGrid TracingTattooStrain Mapping

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image