Summary
该协议使用多视点立体生成三维（3D）模型进行的照片未校准序列，使得它负担得起的和调节的，以在外科手术设置。的3D模型之间应变图与基于样条的isogeometric运动学，其有利于平滑表面过度粗网格共享相同的参数化表示定量。
Introduction
组织扩张是在整形外科的常用技术，生长皮肤在体内的皮肤大缺陷1的校正。纽曼于1957年，是记录这个过程的第一个外科医生。他植入患者的皮肤下面的气囊和充气逐渐它在数周长出新的组织及铺设耳2。皮肤，像大多数生物组织，以适应所施加的力和变形，以达到机械平衡。当拉伸超过生理机制，皮肤长3，4。一个的组织扩张的中央优点是生产皮肤用适当的血管化和相同的头发轴承，机械性能，颜色和质地的周围组织5。
其推出的六十年前，皮肤expansio后n具有由塑料和重建外科医生被广泛采用，并且目前用于校正烧伤，大先天性缺陷，和乳房再造术6,7之后。然而，尽管它的广泛使用，皮肤扩张过程可以导致并发症8。这部分是由于缺乏必要了解程序的基本力学生物学，并在术前计划9，10来引导外科医生足够的定量证据。在该技术中的关键参数是填充率，填充每体积膨胀，膨胀的形状和尺寸的选择，并且该装置11，12的位置。目前术前计划主要依靠医生的经验，产生了各种各样的任意的协议，往往不同greatlÿ13，14，15。
为了解决目前的知识缺口，我们提出了一个实验方案来量化在组织扩张的猪动物模型膨胀而引起的变形。该协议依靠使用多视点立体（MVS）来重建三维（3D）几何形状不与未知摄像机位置的二维（2D）图像的序列。使用样条曲线，光滑的表面的表示由isogeometric（IGA）描述的方法导致了相应的变形地图的计算。几何形状的分析是基于在具有明确的参数16的膜的连续介质力学的理论框架。
表征生活过很长一段时间的材料有关生理变形仍然是一个具有挑战性的问题。为共同战略生物组织的成像包括立体数字图像相关，具有反射标记的商业动作捕捉系统，和双平面视频透视17，18，19。然而，这些技术要求限制性的实验设置，一般是昂贵的，并已被主要用于离体或在体内设置尖锐。皮肤具有作为薄的结构的优点。即使它由若干层组成，真皮是用于组织的机械性质并在很大程度上负责因此表面变形是最重要的20;合理的运动学假设可以对于出平面变形21,22制成。此外，皮肤已经暴露在外部环境，使其能够使用传统的成像工具来捕捉它的几何形状。 HERE我们建议使用MVS的作为负担得起的和灵活的方法来监测皮肤在数周内体内变形而没有与组织扩张协议majorly干扰。 MVS是提取对象或场景的三维表示从二维图像的具有未知相机集合角23的技术。仅在过去的三年里，一些商业代码已经出现（见的实例，材料清单）。模型重建MVS的精度高，但有错误低至2％24，使得这种方法适用于体内在长时间皮肤的运动表征。
到组织膨胀期间获得皮肤的相应的变形地图，任意两个几何构型之间的点匹配。以往，研究人员在计算生物力学已经使用有限元网格和逆分析来检索变形图25，26。此处使用的IGA方法使用，其对于薄的膜27，28的分析提供若干优点样条基函数。即，高次多项式的可用性有助于平滑地几何形状的表示，即使具有非常粗网格29,30。另外，也能够配合在相同的基础参数的所有表面补丁，规避该需要一种逆问题考虑到不匹配的离散化。
这里介绍的方法开辟了新的途径，在很长一段时间来研究有关皮肤力学体内设置。此外，我们希望，我们的方法是在开发针对在临床上的个性化治疗计划的计算工具的最终目标关键的一步。</ P>
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Protocol
该协议涉及动物的实验。该方案经安和芝加哥研究中心动物护理和使用委员会的罗伯特·H·卢瑞尔儿童医院的IRB，以保证动物的人道待遇。使用该协议两个扩展研究的结果已在别处公布的16，31。
该协议的执行需要一个团队专长互补。该协议的第一部分介绍的动物模型的手术过程，需要与适当的医疗人员培训。随后的分析，特别是第4和5所示，涉及用C基本计算机编程技巧++和Python和使用命令行外壳。
1.手术程序扩展器放置
注：参与操作人员必须经过洗涤后，再在无菌时尚穿长衫。与不孕Ë毛巾和窗帘都是围绕外科领域的应用保持无菌。所有仪器，缝合线和组织扩张器在无菌包装接受，只有通过无菌人员处理。手术部位的无菌不应受到侵犯，直到程序完成。
- 适应一个月龄的雄性尤卡坦小型猪标准的住房为一个星期， 随意取食 。
- 在手术当天，用麻醉诱导氯胺酮/乙酰丙嗪的动物（4 - 6毫克/公斤），然后异氟烷进行维护。通过监控眼睑反射评估麻醉深度。此外，监测生命体征（心脏率，体温，呼吸频率，和/或通过响应组织钳捏）。应用眼药膏的眼睛，以防止角膜擦伤。
- 管理流程前抗生素和清洁基于洗必泰外科肥皂背部皮肤。传输4个10×10 cm 2个的网格，二对的每一侧动物，使用纹身转印介质1厘米标线到猪皮。该网格对应于以下四个区域：左侧喙，喙右，左尾，右尾。使用模板与中线参考，以确保网格图案的对称位置。
- 通过跟踪网格创建纸面上的网格用圆珠笔严重轮廓。洗对动物其中网格要被放置异丙基外用酒精的区域。
- 应用网格（笔墨水面朝下）直接在皮肤上。酒精供应水蛭一些油墨的断纸，电网转移到动物的皮肤。
- 注射局部麻醉（1％利多卡因1：100000肾上腺素）皮下在每个计划切口部位。
- 使两个网格之间的中点对动物的两侧切口。
注：切口被放置在动物的左侧和右侧的2个栅格上之间那一边。有存在左侧切口和右片面的切口 - 用止血钳来开发感兴趣的网格下方的皮下隧道。开发一个隧道后，插入格栅下面的扩展。
注：隧道放置，将有一个组织扩张器的任何电网下。 - 放置的端口扩展器膨胀远程通过沿着动物的背中线以类似的方式开发了皮下隧道。通过缝合修复伤口。
- 通过肌内注射 - （0.1毫克/千克丁丙诺啡0.05）每12小时为4个剂量，与可用于动物窘迫的证据附加剂量术后治疗与预防性抗生素的动物（呋5mg / kg的IM一次）以及镇痛药。
- 连续观察动物2个小时手术后，包括生命体征，直到他们恢复行走并能维持正常体温常规测量。房子在一个单独的笼子里的动物和监控，直到我t是能够转移回其正常的住房面积和无人操作前，对所有4条腿独立行走。
- 继后立即麻醉恢复期，每天检查的动物来评价伤口愈合。拆去缝线14天术后。这些切口无需包扎。离开切口愈合3 - 开始扩大4个星期前
2.通货膨胀协议
注意：在各膨胀机所使用的通货膨胀和的溶液量的时间取决于所研究的具体问题。为了表征不同膨胀器的几何形状的作用，合适的协议是执行5个膨胀步骤中的0,2，7，10，和15天时分别达到50％，75 105，165，和225毫升填充体积。
- 每个膨胀步骤之前，镇静动物施用氯胺酮（4 - 6毫克/千克）和右旋美托咪在20 - 80微克/千克。
注：右美托咪是n个阿尔法肾上腺素能受体激动剂可以与阿替美唑逆转（1:1体积：体积），以促进更快的恢复;然而，这个级别的镇静可能是不够的动物容忍扩张无伤害的不当风险的动物或处理程序。如果是这样的情况下，通过面罩通气以下氯胺酮/乙酰丙嗪诱导异氟醚交付管理全身麻醉。 - 连接两个塑料软带的措施，使用手术胶带动物的皮肤。放置在左侧和右侧的网格之间的卷尺。
- 放置在一侧的动物和从尽可能多的不同角度尽可能获取场景30张的照片。
注：我们的目标是捕获两个网格可见的几何形状，当动物是放下一侧。- 首先，定位摄像头上面的动物和朝方尾倾斜，拍摄一个镜头，其中纹身网格是完全可见，并填补了框架。
- 中号OVE在从尾到延髓方向的拱形的动物周围的圆形图案，拍照沿途，确保，对于每一个照片中，纹身网格是可见的完全在帧出现。
- 同时，尽量让该网格在框架所占据的空间。一个理想的拍摄将捕获的动物与纹身网格和背景的仅小区域后面。
- 接着，照相机位置朝向腹侧捕获镜头角度大致平行于地面并拍照在从腹侧向背侧区域的拱形。
注：照片中的量是不是一个固定值。对于良好的重建，在纹网格中的每个点应该在至少3张照片;在总共30张照片为几何重建成功的足够量。
- 放置在相反侧的动物，并采取两个30张照片其余电网上文所示相同的步骤。
- 执行通过寻找远程填充口和注入的盐溶液对应于感兴趣的扩展协议所需量的膨胀步骤。用0.9％的无菌注射用盐。
- 找到了用异丙基酒精擦拭动物的皮肤上的端口和准备。与连接到填充有无菌注射盐水的注射器的无菌25号蝴蝶针访问端口。
注：如上所述，端口被皮下地隧道传送到膨胀机放置期间的前正中线背部的位置。 - 注入的盐溶液的期望的量。请参阅笔记本节在扩张过程中的每个步骤中注入的通货膨胀卷的开头。
- 找到了用异丙基酒精擦拭动物的皮肤上的端口和准备。与连接到填充有无菌注射盐水的注射器的无菌25号蝴蝶针访问端口。
- 重复照片采集步骤通货膨胀后。
- 一旦充气协议完成后，安乐死的动物。
- 一般管理通过经面罩通气以下氯胺酮/乙酰丙嗪感应传递异氟烷麻醉。通过监控眼睑反射评估麻醉深度。此外，监测生命体征（心脏率，体温，呼吸频率，和/或响应用组织钳捏）。
- 100毫克/公斤 - 通过戊巴比妥90静脉注射过量安乐死的动物。继安乐死过量戊巴比妥，通过使用脉搏血氧仪和脉搏触诊以及没有自主呼吸的情况下检测心跳的确认死亡。
3.多视点立体重构
- 用市售的软件上传的图片文件和重建几何模型。
- 启动浏览器上的MVS软件并登录。
- 选择照片以3D的左上角。
- 点击添加照片 ，浏览到IM的位置年龄和手动选择对应于单个模型30张的照片。
- 命名模型，然后点击创建
- 等待要创建的模型。这可能需要几分钟的时间。点击返回到该软件的原始目标网页右边仪表盘 。
注：仪表显示已经由用户创建的几何模型的代表图像。 - 将光标放在刚刚创建的模型。将光标放在模型图像的右下角。点击下载 ，并选择OBJ。
4.样条曲面拟合
- 使用开源软件来处理几何模型。
- 点击文件- >导入- > OBJ导入从MVS软件生成的文件。在3D视图底部点击视窗阴影和塞莱克拉纹理 。寻找对3D视图与子菜单右侧的标签： 转换 ， 蜡笔 ， 视图 ，3D铅笔 等点击底纹 ，并选择没有阴影 。
- 右键单击几何形状，将其选中。在3D视图底部选择编辑模式以可视化的三角形网格。
- 选择逐个对卷尺的1厘米标记的节点。
- 要选择一个点，右键点击它，并强调这一点。坐标点出现在3D视图的右侧的标签上。选择与所选择的点的坐标复制到一个文本文件中。
- 重复此操作的卷尺的1厘米标记的所有点。
- 这样做两个磁带措施。协调文本文件的例子是提供D：tape1.txt，tape2.txt。
注意：如果没有上的兴趣点的网格节点，细分网格，直到有感兴趣的点的一个节点。细分网格通过按顶点Shift键，右键单击选择三角形的三个顶点。然后点击按钮细分出现在三维视图的左侧的选项卡。此操作将所选择的三角形内部的三个更多的节点。
- 选择网格的11×11点和121点的坐标保存到在图1所示的图案的文本文件。
- 类似于做了什么磁带措施，选择网格点，右击它，点会高亮显示。坐标点会出现在3D视图的右侧的标签上。选择与所选择的点的坐标复制到一个文本文件
注：网格点的编号是ALWAYS尾鳍延髓和向腹侧部的背中线。这种排序保证了参数空间为任何两个补丁是一致的。作为一个例子，提供了一种其中含有的皮肤贴片的121点的坐标文件gridReference.txt。
- 类似于做了什么磁带措施，选择网格点，右击它，点会高亮显示。坐标点会出现在3D视图的右侧的标签上。选择与所选择的点的坐标复制到一个文本文件
- 下载，编译和安装C ++花库。该文件包含splineLibraryInstallation.txt链接到花键库和说明安装的源代码。
- 编译源代码generateCurve.cpp生成可执行generateCurve
注：该方案generateCurve只需要编译一次。编译该C ++源代码，并生成一个可执行按照指示在源代码文件generateCurve.cpp的顶部。 - 使用程序generateCurve以适应样条磁带措施，并在网格点。要在B运行可执行文件灰壳，类型
目录$ ./generateCurve- 在运行程序时，会要求用户键入路径中含有卷尺的坐标文件。然后程序会询问输出文件的名称。终止.g2添加到文件名。
注：.g2代表去的工具 ，并关联到花键库终止。的对应于带花键的措施文件的两个例子是可用于此协议（tape1.g2，tape2.g2）。
- 在运行程序时，会要求用户键入路径中含有卷尺的坐标文件。然后程序会询问输出文件的名称。终止.g2添加到文件名。
- 使用Python脚本scalePoints.py缩放网格点。有三个参数运行在Bash shell提示符下输入程序：网格点的文件名和花键对应的卷尺的文件名
目录$蟒蛇scalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
注：脚本scalePoints.py导入脚本B_spline.py和NURBS_Curv e.py，因此所有的三个脚本必须在同一个文件夹。 - 编译源代码generateSurface.cpp生成可执行generateSurface。
注：此步骤只需要进行一次。更详细的说明可在源代码文件generateSurface.cpp的开始。 - 使用程序generateSurface以适应样条曲面的网格点。上运行的Bash shell可执行generateSurface
目录$ ./generateSurface- 在shell中运行该程序会要求包含规模点的文件名。然后，它会询问输出文件的名称。终止.g2添加到输出文件名。
注：终止.g2通过花键库建议，主张走的工具 。该文件gridReference.g2和gridDeformed.g2作为例子提供。
- 在shell中运行该程序会要求包含规模点的文件名。然后，它会询问输出文件的名称。终止.g2添加到输出文件名。
- 在Bash shell提示下启动的Python
目录$蟒蛇
注：初始化的Python 解释器，这是类似的，将显示一个新的命令行环境的外壳接口>>> - 导入脚本expansionIGA.py其中包含一个名为evaluateMembraneIGA功能
>>>从expansionIGA进口evaluateMembraneIGA - 调用函数evaluateMembraneIGA计算变形图。
注：此功能需要作为参数：
基准表面的文件名
变形面的文件名
评价的分辨率（多少分在每个方向进行评估）
面积拉伸的最小值用于缩放等高线图
面积拉伸的最大值用于缩放等高线图
在纵向方向上拉伸的最小值我们ED缩放的轮廓
在纵向方向上拉伸的最大值用于缩放的轮廓
在横向方向上拉伸的最小值用于缩放的轮廓
在横向方向上拉伸的最大值用于缩放的轮廓
在等值线图网格线之间的间距
输出文件名- 例如，运行
>>> evaluateMembraneIGA（ 'gridReference.g2'， 'gridDeformed.g2'，250，3，0.5％，2％，0.5％2，0.5％，25， '变形'）
注：此命令将生成并保存六个输出文件。注意，在上面的例子中的最后一个参数是输出文件名变形 ，因此，将要生成的文件是：
deformation_theta.png：区域伸展的轮廓图
deformation_theta.txt：相应于面积拉伸的等高线图的值表
deformation_G1.png：拉伸ALON的等高线图克动物的纵向轴线
deformation_G1.txt：对应于伸展部沿着动物的纵向轴线的等高线图的值表
deformation_G2.png：在动物的横向轴线的拉伸部件的轮廓图
deformation_G2.txt：对应于拉伸的组件的轮廓图中的动物的横向轴线值的表
注意：不要混淆样的文件，.g2的终止，与向量G2。花键文件已结束.g2以下的花键库的命名约定。在另一方面，所述载体G1和G2分别表示纵向和横向方向相对于所述动物。
注：黑像素：轮廓文件与在四个棱角分明的特点，以方便参数空间的演绎产生的最尾，最背点;红色像素角：MOS吨喙，最背点;绿色像素角：最尾，最腹点;蓝像素角：最喙，最腹点。
- 例如，运行
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Representative Results
这种方法已被成功地用于研究由不同膨胀器的几何形状引起的变形：矩形，球形和新月形扩展器31，32。对应于球和月牙扩展结果接下来讨论。 图2示出的三个步骤MVS模型重构的。其出发点是从静态的现场照片的集合。与纹身网格和测量尺动物静卧的照片，从不同角度拍摄的。照片之间的MVS算法匹配的特征提取的三维坐标。其结果，产生由具有纹理一个三角形网格的几何模型。
这里描述的协议可以被用于研究组织膨胀过程的不同方面。变化在由球和新月形扩展感应区域菌株是膨胀过程的一个重要方面，因为它会导致在皮肤的生长的量的地区差别。这两款器件都充满在每个时间点相同的体积。在0,2，7，10，和15天时进行五个通货膨胀步骤生成的50，75，105，165，和225毫升填充体积。 图3示出了在每个膨胀步骤结束时的膨胀皮肤网格的照片。膨胀器拉伸皮肤和变形由网格随时间的失真是显而易见的。
为网格的每个配置如在协议部分中所述生成的样条曲面。变形是由选择参考和一个变形网格， 如图1所示来计算。两种不同类型的分析的结果在这里讨论。为了研究慢性变形，在第0天猪被选为吨他参考配置，并且与所有其他时间点。比较每通货膨胀步骤在图4所示的等高线图的基准配置导致的结束。这里介绍的方法提取变形的三项措施。面积变化被表示为θ，在纵向方向上拉伸被称为λG1，和G2λ是在横向方向上的伸长， 如图1。在用于球和月牙膨胀两个正交方向上的面积的变化，纵横交错的进展在图4中被描绘。花键表面通常平滑，因此相应的等高线图是光滑的。然而，网格的粗糙度是通过其显示斑点特征的轮廓证明。更精细的网格将增加变形地图的保真度。然而，不同的扩展几何体之间的差异立刻被appareNT和量化。即使两个膨胀器填充到相同的体积中，球形膨胀引起的较大的变形。的等高线图的空间变化表明，皮肤相比网格的外周，在膨胀机的中心拉伸更多。结果列于表1。
第二分析包括确定在每个膨胀步骤急性变形。在这种情况下，参考配置为网格只在膨胀之前，将变形网格是膨胀步骤之后立即。在每一个步骤通货膨胀引起的变形是在不同的时间点之间的平均非常相似。摘要载于表2中 。平均而言，变形为接近1（其中1是不存在变形）。在图5所示的等高线图的检查展示了明显的空间变化。即使是在平均几乎不变形，而另一些则相对于基准缩水电网的某些区域被拉伸。类似于慢性变形的分析，中心区域是被拉伸的最多。
在急性和慢性情况下，两个，纵向和横向伸展显示指示各向异性的明显趋势。皮肤，因为大多数胶原组织，显示了一个优选的纤维取向有助于各向异性机械响应25。在皮肤中猪的背面的情况下，纤维被认为是横向33对准。我们的实验表明，皮肤膨胀期间，在纵向方向上的伸展总是比沿横向方向更大。这对球体和月牙扩展都为真，在所有时间点，并为急性和慢性变形contoURS。该结果支持了假设，即皮肤各向异性可以影响一个组织扩张过程中引起的变形。
图1：网格配置和参数空间。网格纹在动物的背部和以规模几何模型（上图）在地方与卷尺拍照。参考和变形构造之间的变形的特征在于三个变量：面积变化θ，纵向拉伸λG1，和横向拉伸λG2（顶部）。网格始终被始终编号点从尾侧 头侧和从背侧到腹侧的方向（左下）参数化。分析的输出参数空间的等值线图。轮廓被标记在与一个像素，其德角部ES颜色黑，红，绿，蓝，便于尾 ， 喙 ， 背， 腹两侧（右下）的标识。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2：膨胀过程的多视点立体重构。 MVS是从计算机视觉的算法，需要从具有未知摄像机位置（左侧）不同的角度输入的照片。该算法匹配整个图像功能来查找三维坐标（中心）。该算法的输出是与所述纹理覆盖（右）的三角形网格。 （图改编与31的许可） 请点击此处查看该图的放大版本。
图3：球和新月扩展器的扩展。球体（顶行）和新月（底行）扩展器置于纹身的皮肤下面上的猪的背部并膨胀0天，第2，第7，10，和15天，以产生的填充体积的50％，75 105， 165和225立方厘米。 （图适于与许可31）。 请点击此处查看该图的放大版本。
图4：慢性变形的球体和新月扩展器诱导。所述纹身网格转化为样条曲面用于分析（行1和2）。取参考是在第0天的格，计算变形三项措施。相比于月牙（行3和4）在球体区域改变显示逐渐变高的值随着时间的推移，与膨胀机的中心区域高的变形，和更高的变形。而横向拉伸（行7和8）的变形和拉伸少的频带表现出相比于所述纵向方向的纵向延伸（行5和6）相似区域延伸。 （图改编许可从31） 点击此处查看该图的放大版本。
图5：急性变形的球体和新月扩展器诱导。以作为参考的配置只是一个膨胀步骤之前，并且如变形立即注射溶入膨胀后，计算急性变形的配置。变形图进行平滑，然而，一些边缘效应明显，离散化的粗糙度反映在变形的点状图案。面积的变化（行1和2）显示区域变化，与在对应于扩展器的区域更高的拉伸。伸展分别在不同的时间点类似。同样的趋势可以看出对于纵向伸展（行3和4）。横向拉伸（行5和6）显示出更均匀的分布和较低的值相比，纵向壳体。 （图改编许可从31） 点击此处查看该图的放大版本。
| 时间[天] | 体积[毫升] | 面积变化 θ | 纵向拉伸 λG1 | 横向拉伸 λG2 | |||||||
| 最大 | 分 | 平均 | 最大 | 分 | 平均 | 最大 | 分 | 平均 | |||
| 0 | 领域 | 50 | 1.44 | 0.71 | 0.98 | 1.37 | 0.76 | 1 | 1.17 | 0.84 | 0.97 |
| 0 | 新月 | 50 | 1.46 | 0.76 | 0.98 | 0.79 | 1 | 1.17 | 0.84 | 0.98 | |
| 2 | 领域 | 75 | 1.74 | 0.68 | 1.08 | 1.51 | 0.73 | 1.08 | 1.19 | 0.75 | 1 |
| 2 | 新月 | 75 | 1.43 | 0.66 | 1 | 1.31 | 0.65 | 1 | 1.26 | 0.77 | 1 |
| 7 | 领域 | 105 | 0.01 | 0.69 | 1.21 | 1.7 | 0.75 | 1.13 | 1.32 | 0.84 | 1.07 |
| 7 | 新月 | 105 | 1.66 | 0.83 | 1.15 | 1.4 | 0.87 | 1.11 | 1.33 | 0.86 | 1.03 |
| 10 | 领域 | 165 | 2.26 | 0.74 | 1.36 | 1.76 | 0.77 | 1.21 | 1.39 | 0.83 | 1.11 |
| 10 | 新月 | 165 | 1.86 | 0.87 | 1.26 | 1.58 | 0.8 | 1.15 | 1.45 | 0.83 | 1.09 |
| 15 | 领域 | 225 | 2.77 | 0.72 | 1.52 | 2.01 | 0.69 | 1.29 | 1.47 | 0.89 | 1.18 |
| 15 | 新月 | 225 | 1.87 | 0.83 | 1.32 | 1.46 | 0.84 | 1.17 | 1.44 | 0.92 | 1.14 |
| 21 | 领域 | 225 | 3.09 | 0.93 | 1.7 | 2.13 | 0.9 | 1.33 | 1.62 | 0.98 | 1.27 |
| 21 | 新月 | 225 | 2.25 | 0.87 | 1.49 | 1.66 | 0.85 | 1.25 | 1.67 | 0.96 | 1.2 |
表1：慢性变形综述。菌株分别计算服用初始配置作为基准，并在相对于它的每个膨胀步骤结束时比较所述补丁。归因于球体膨胀变形的平均达到1.70在第21天，而月牙膨胀区变形1.49扩张的端部。有显著空间变化以及最大和相对于所述平均变化最小值。纵向伸展分别达到球体和月牙膨胀剂1.33和1.25，而横向伸展较低，为1.27和1.20的值。 （表适于与从权限
ontent” FO：保持-together.within页=‘1’> 表2：急性变形的概要菌株计算采取膨胀构型作为参考和膨胀步骤的变形的网格后，立即配置之前在平均，无论是球面和月牙扩展器显示出相似的趋势，随着接近1的值，其将指示不变形，但是，由于空间变化，我们测得的最大面积的变化分别高达1.60的球和1.50月牙该在纵向和横向上拉伸是各向异性的，几乎总是比横向拉伸更高纵向延伸的最大值。（表适于与许可31） 时间[天] 扩展 体积[毫升] 面积变化θ 纵向拉伸 λG1 横向拉伸 λG2 最大 分 平均 最大 分 平均 最大 分 平均 0 领域 50 1.32 0.72 0.98 1.44 0.75 1 1.23 0.83 0.97 0 新月 50 1.5 0.71 0.98 1.3 0.8 1 1.21 0.84 0.98 2 领域 75 1.36 0.69 0.98 1.26 0.66 1 1.2 0.8 0.98 2 新月 75 1.31 0.61 0.98 1.24 0.8 1.01 1.34 0.68 0.97 7 领域 105 1.4 0.79 0.98 1.3 0.57 1 1.2 0.77 0.98 7 新月 105 1.37 0.59 1 1.6 < / TD> 0.83 1.02 1.16 0.77 0.98 10 领域 165 1.6 0.73 1.01 1.35 0.6 1.02 1.25 0.75 0.99 10 新月 165 1.48 0.58 1.01 1.42 0.75 1.02 1.22 0.77 1 15 领域 225 1.27 0.73 1.01 1.35 0.55 1.02 1.22 0.79 0.98 15 新月 225 1.34 0.54 1.02 1.37 0.8 1.02 1.32 0.81 1
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Discussion
在这里，我们提出了一个协议来表征在使用多视点立体（MVS）和isogeometric运动学（IGA运动学）猪模型的组织膨胀过程期间引起的变形。期间的组织扩张，皮肤经受大的变形从光滑和相对平坦的表面要圆顶状3D形状。皮肤，像其他生物膜34，响应通过产生新的材料伸展，在区域可随后用于重建目的35增加。因此，通过膨胀机所产生的拉伸的精确测定是至关重要的理解，调节皮肤的适应机制。规划的膨胀过程是有挑战性的，因为组织扩张器有不同的大小和形状，拉伸分布不均匀在整个扩展区域，它依赖于11通货膨胀的位置和速度，REF“> 36，具有一协议来准确地估计膨胀引起的变形，并且能够解决大的应变，三维形状和区域变化的，打开了新的途径来研究皮肤生长的机械调节，并且可以最终导致定量术前规划工具。为实现这一目标，我们开发了一种非侵入性的，负担得起的，灵活的方法来测量皮肤扩张32的猪模型变形。
关键步骤
对于组织扩张的动物模型已经很好地表征了超过二十年37。猪皮显示类似的特性，以人体体表。此外，在猪皮肤扩张遵循类似的过程，因为它会在人体38来完成。所述组织扩张过程是用于这个协议的成功的基石。经验的外科医生，在组织扩张的专家，进行techniquE在动物模型这里提出。
皮肤方便地暴露于外部环境，它是一个薄的膜，因此，其变形可在其表面17上的特征在于跟踪点。 MVS提供了一个灵活和经济实惠的技术，在很长一段时间来研究三维皮肤变形体内 。该算法中，输入一组照片，从静态场景，使用跨照片特征匹配提取3D坐标。 MVS重建和随后的运动学分析关键取决于该协议的照片获取步骤。
修改和故障排除
期间的组织扩张，该装置可从电网远迁移由于动物的运动，并且其中所述膨胀最初放置在口袋的松动。如果扩大区域外移动网格，扩展应放气和去除。该公关oblem已使用一个出八格栅31,32的协议中遇到。膨胀剂也可以泄漏如果它们是有缺陷的或充气协议期间刺穿。这也损害了实验的有效性和动物的安全性，因此扩展应该被删除。这个问题已经在使用一个出八栅格31,32此协议中遇到。
MVS重建可以是由于照明效果，缺乏重点和背景噪声23的一些组的照片有挑战性。即使对于MVS的商业工具很强大，如果结果不是第一次不够准确，下面的故障排除步骤一直在我们的经验解决了问题：手动删除照片的背景;选择的照片，一个子集重点更加突出，并丢弃我模糊法师;在商业软件界面手动选择整个照片的匹配点。
该技术的局限性
如上所讨论的，猪外皮是类似于人38，尽管如此，还是有区别的。因此，猪模型预计不会完全预测的人类组织扩张协议37。该协议的另一个限制是缺乏商业工具或用户友好的软件来分析几何模型。目前，一旦通过MVS生成的几何形状，分析与在内部代码，由C ++和Python脚本的执行。虽然在一方面，所提出的方法是创造并提供一个经济实惠，便捷的方式在很长一段时间来研究软组织的力学，数据分析是依赖于技术，这只是流行了过去十年27。为了circum发泄这种限制，我们为实现这个样条提交的子程序。一个更限制是一个纹身格的限制，以便跟踪慢性变形。需要有一个纹身的网格阻碍了协议的临床设置的翻译。
相对于现有的/替代方法的技术意义
目前，医生主要依靠中的组织扩张术前的程序规划，这导致了各种各样的，往往有很大的不同13，14，15任意协议的经验。这里介绍的协议解决了由在组织扩张的猪动物模型定量膨胀引起的变形的现有知识缺口。就笔者所知，这是量化对皮肤组织的相当大的补丁连续变形地图第一协议<SUP类=“外部参照”> 31,32。
该协议是创新的，非侵入性的，价格合理的和灵活的;它依赖于计算机视觉算法的最新发展，如MVS，和数值分析，如IGA运动。 MVS在过去十年中强烈推进，达到低至2％24的重建错误。在商业软件和开源代码的崛起展示了这种方法41的高人气。 MVS是负担得起的，因为它仅需要一台数码相机和照片采取无摄像头位置的标定。相反，其他技术如立体声重建需要额外的硬件来控制摄像机17的位置。 MVS是柔性的，因为它可以在各种场景只要照片可以从不同的角度采取来执行。这是变得更加RELE功能VANT考虑潜在的临床应用程序时。相反，其他技术如运动跟踪需要特定的设置，并且不能在任意的位置18来执行。 MVS的一个功能更是制作3D几何形状。其他技术，例如数字图像相关（DIC），优选用于2D运动跟踪39。这里给出的结果展示的商用算法来重建忠实组织扩张期间引起的三维形状的能力。
从三维几何图形，变形必须计算。该协议依靠使用样条曲面IGA运动学。因为几个控制点参数平滑的几何形状与所需的薄膜40的分析连续性高花键是有用的。在这种应用样条的最大优点是参数空间的概念。其他技术，例如有限ELE发言：，缺乏全局参数域。虽然这是方便的某些问题，例如不规则的补丁模拟（用于与孔例如贴剂），具有明确的参数允许以简单的方式的任何两个配置之间伸展的确定。例如，两种不同的分析是如下所示：慢性和急性变形。为了计算与本协议中的网格菌株就足以提供感兴趣的两个表面的花键，因为所有表面具有相同的参数域。
期间的组织扩张，皮肤通过在表面积越来越大，产生然后可以被用于重建手术新外皮响应于所施加的变形。在很长一段时间表征皮肤的临床相关的变形可以提高我们这个机构的力学生物学的理解以及启用的术前定量工具的开发。该协议描述了她Ë专门针对实验设计与潜在翻译到临床的需要。
掌握这一技术后，未来的应用或方向
即在该协议中使用的源代码可以很容易地进行调整，以其他应用程序和可并入用户更友好的实现。与本文提供的是例程来评价样条基函数，用样条曲面参数连续字段，整合那些连续字段，并计算变形梯度，膜和弯曲应变。我们预计，此源代码将继续致力于可在组织扩张的实际临床应用以及使其他应用程序最终被使用的工具演变。另一个未来的工作领域是该协议的细化考虑到机械性能和组织应力，不仅运动。
神父OM一个临床相关的角度来看，这个协议是能够量化组织变形的区域变化，以及不同的扩展形状和通货膨胀率31，32之间的差异。需要进一步的工作继续评估不同的膨胀参数对所述组织响应的效果。此外，重点是适应可以帮助的生物学机制的猪模型进一步细化阐明调节皮肤适应过度拉伸基本机制。最终的目标是验证协议在猪模型，以便将其转化为临床设置。
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Disclosures
二世作者什么都没有透露。
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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