Summary
Ce protocole utilise stéréo multi-vues pour générer des modèles en trois dimensions (3D) sur les séquences non étalonnées de photographies, ce qui rend abordable et ajustable pour un réglage chirurgical. Les cartes de tension entre les modèles 3D sont quantifiés avec une cinématique isogéométrique de splines, qui facilitent la représentation des surfaces lisses sur les mailles grossières partageant la même paramétrisation.
Introduction
L' expansion tissulaire est une technique courante en chirurgie plastique et reconstructive qui pousse la peau in vivo pour la correction de gros défauts cutanés 1. Neumann, en 1957, a été le premier chirurgien de documenter cette procédure. Il a implanté un ballon sous la peau d'un patient et gonflé progressivement sur une période de plusieurs semaines pour se développer de nouveaux tissus et refaire surface une oreille 2. Peau, comme la plupart des tissus biologiques, adapte aux forces et déformations appliquées afin d'atteindre l'homéostasie mécanique. Lorsqu'il est étiré au - delà du régime physiologique, la peau se développe 3, 4. L' un des avantages centraux de l' expansion des tissus est la production de la peau avec une bonne vascularisation et la même pileuse, les propriétés mécaniques, la couleur et la texture que le tissu environnant 5.
Après son introduction il y a six décennies, la peau Expansion a été largement adoptée par les chirurgiens plastique et reconstructive et est actuellement utilisé pour corriger les brûlures, les grandes malformations congénitales et pour la reconstruction mammaire après mastectomie 6, 7. Pourtant, en dépit de son utilisation généralisée, les procédures d'expansion de la peau peut entraîner des complications 8. Cela est dû en partie à l'absence de suffisamment de données quantitatives nécessaires pour comprendre la mécanobiologie fondamentale de la procédure et pour guider le chirurgien lors de la planification préopératoire 9, 10. Les paramètres clés de cette technique sont le taux de remplissage, le volume de remplissage par l' inflation, la sélection de la forme et la taille de l'extension et la mise en place du dispositif 11, 12. la planification préopératoire actuelle repose en grande partie sur l'expérience du médecin, ce qui dans une grande variété de protocoles arbitraires qui diffèrent souvent greatly 13, 14, 15.
Pour remédier aux lacunes des connaissances actuelles, nous présentons un protocole expérimental pour quantifier la déformation induite par l'expansion dans un modèle animal porcin de l'expansion des tissus. Le protocole repose sur l'utilisation de géométries stéréo multi-vue (MVS) à reconstruire en trois dimensions (3D) de séquences d'images en deux dimensions (2D), les positions de caméra inconnus. En utilisant des cannelures, de la représentation de surfaces lisses conduit au calcul des cartes de déformation correspondant au moyen d'une description isogéométrique (IGA). L'analyse de la géométrie est basée sur le cadre théorique de la mécanique des milieux continus des membranes ayant un paramétrage explicite 16.
Déformations physiologiquement pertinents caractérisant des matériaux vivants sur de longues périodes de temps reste un problème difficile. Les stratégies communes pourl' imagerie des tissus biologiques comprend la corrélation d'images numériques stéréoscopique, les systèmes de capture de mouvement commerciales avec des marqueurs réfléchissants, et biplan vidéo de fluoroscopie 17, 18, 19. Cependant, ces techniques nécessitent une installation expérimentale restrictive, sont généralement coûteux, et ont été principalement utilisés pour les ex vivo ou aiguë en milieu in vivo. La peau a l'avantage d'être une structure mince. Même si elle est constituée de plusieurs couches, le derme est en grande partie responsable des propriétés mécaniques du tissu et ainsi la déformation de la surface est d' une importance primordiale 20; hypothèses raisonnables peuvent être cinématiques faites en ce qui concerne la déformation de plan 21, 22. De plus, la peau est déjà exposée à l'environnement extérieur, ce qui permet d'utiliser des outils d'imagerie classiques pour capturer sa géométrie. Havant que nous vous proposons l'utilisation de MVS comme une approche flexible et abordable pour surveiller les déformations in vivo de la peau pendant plusieurs semaines sans interférer majorly avec un protocole d'expansion des tissus. MVS est une technique qui extrait des représentations 3D des objets ou des scènes d'une collection d'images 2D avec caméra inconnus angles 23. Seulement au cours des trois dernières années, plusieurs codes commerciaux sont apparus (voir la liste des matériaux pour des exemples). La grande précision de la reconstruction du modèle avec MVS, avec des erreurs aussi bas que 2% 24, rend cette approche appropriée pour la caractérisation cinématique de la peau in vivo sur de longues périodes de temps.
Pour obtenir les cartes de déformation correspondantes de la peau au cours de l'expansion des tissus, des points entre deux configurations géométriques sont adaptées. Classiquement, les chercheurs en biomécanique de calcul ont utilisé des maillages éléments finis et l'analyse inverse pour récupérer la carte de déformation25, 26. L'approche IGA employée ici utilise les fonctions de base spline qui offrent plusieurs avantages pour l'analyse des fines membranes 27, 28. A savoir, la disponibilité des polynômes de degré élevé facilite les représentations de géométries lisses , même avec des mailles très grossières 29, 30. De plus, il est possible d'adapter le même paramétrage sous-jacent à tous les patchs de surface, qui contourne la nécessité d'un problème inverse pour tenir compte de discrétisation qui ne correspondent pas.
La méthode décrite ici ouvre de nouvelles voies pour étudier la mécanique de la peau dans les paramètres pertinents dans vivo sur de longues périodes de temps. De plus, nous espérons que notre méthodologie est une étape permettant vers l'objectif ultime de développer des outils de calcul pour la planification de traitement personnalisé dans le cadre clinique. </ P>
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Protocol
Ce protocole implique l'expérimentation animale. Le protocole a été approuvé par la CISR de Ann et Robert H. Lurie Hôpital pour enfants de Chicago Centre de recherche et de protection des animaux Comité d'utilisation pour garantir le traitement humain des animaux. Les résultats de deux études d'expansion en utilisant ce protocole ont été publiés ailleurs 16, 31.
L'exécution de ce protocole requiert une équipe possédant une expertise complémentaire. La première partie du protocole décrit la procédure chirurgicale sur le modèle animal, ce qui nécessite du personnel avec la formation médicale appropriée. L'analyse ultérieure, en particulier les articles 4 et 5, impliquent des compétences en programmation informatique de base en C ++ et Python, et l'utilisation d'un shell de ligne de commande.
1. Procédure chirurgicale pour le placement Expander
NOTE: Le personnel impliqué dans l'opération doivent être frottées et toge de façon stérile. Sterilserviettes e et les rideaux sont appliqués dans le domaine chirurgical pour maintenir la stérilité. Tous les instruments, les sutures et extenseurs de tissus sont reçus dans un emballage stérile et manipulés que par du personnel stérile. Stérilité du site opératoire ne doit pas être violé jusqu'à ce que la procédure soit terminée.
- Acclimate un mois mâles âgés de porcs mini - Yucatan au logement standard pour une semaine et nourrir ad libitum.
- Le jour de la chirurgie, anesthésier l'animal en utilisant la kétamine / acépromazine pour l'induction (4 - 6 mg / kg), puis isoflurane pour l'entretien. Évaluer la profondeur de l'anesthésie en surveillant le réflexe palpébral. En outre, surveiller les signes vitaux (fréquence cardiaque, la température corporelle, la fréquence respiratoire, et / ou de réponse à pincer par forceps de tissu). Appliquer une pommade ophtalmique aux yeux pour se protéger contre abrasions de la cornée.
- Administrer des antibiotiques pré-procédure et nettoyer la peau du dos avec du savon chirurgical à base de chlorhexidine. Transfert quatre 10 x 10 cm 2 grilles, deux de chaque côté de laanimal, avec des marques de ligne de 1 cm sur la peau de porc en utilisant un milieu de transfert de tatouage. Les grilles correspondent aux quatre régions suivantes: rostrales gauche, à droite rostrales, caudales gauche et caudales droite. Utiliser un modèle de référence de la ligne médiane pour assurer un placement symétrique des motifs de grille.
- Créez les grilles sur papier en traçant la grille donne un aperçu très avec un stylo à bille. Laver la zone de l'animal où le réseau doit être placé avec de l'alcool isopropylique.
- Appliquer la grille (côté encre de stylo vers le bas) directement sur la peau. L'alcool sert à la sangsue une partie de l'encre hors du papier, le transfert de la grille pour la peau de l'animal.
- Injecter un anesthésique local (1% lidocaine avec 1: 100 000 épinéphrine) sous-cutanée sur le site de chaque incision prévue.
- Faire une incision de chaque côté de l'animal dans le milieu entre les deux grilles.
NOTE: Les incisions sont placées sur le côté gauche et à droite de l'animal entre les 2 grilles surce côté. Il y a une incision gauche face et une incision unilatérale droite - Utilisez un hémostatique pour développer un tunnel sous-cutanée sous la grille d'intérêt. Après avoir développé un tunnel, insérez l'expandeur sous la grille.
NOTE: Les tunnels sont placés sous une grille qui aura un extenseur de tissu. - Placez le port de l'inflation d'extension à distance via un tunnel sous-cutané développé de façon similaire le long de la ligne médiane dorsale de l'animal. blessures de réparation par suturer.
- Après l'opération, traiter l'animal avec des antibiotiques prophylactiques (Ceftiofur 5 mg / kg IM une fois), ainsi que des analgésiques (buprénorphine 0,05 à 0,1 mg / kg) par injection intramusculaire toutes les 12 h pour 4 doses, avec des doses supplémentaires disponibles pour la preuve de détresse animale.
- Observer les animaux en continu pendant 2 h après l'opération, y compris la mesure de routine des signes vitaux jusqu'à ce qu'ils aient repris et sont capables ambulation de maintenir la normothermie. Maison de l'animal dans une cage séparée et moniteur jusqu'à ce que jet est capable de marcher de façon indépendante sur les 4 pattes avant de le transférer vers sa zone de logement normale et en le laissant sans surveillance.
- Après la période de récupération après l'anesthésie immédiate, vérifier les animaux tous les jours pour évaluer la cicatrisation des plaies. Retirer les sutures 14 jours après l'opération. Ces incisions ne nécessitent pas de pansements. Laissez les incisions à guérir pendant 3 - 4 semaines avant le début de l'expansion
2. Protocole d'inflation
NOTE: Le calendrier des inflations et la quantité de solution utilisée dans chaque extension dépend de la question spécifique à l'étude. Pour caractériser l'effet de différentes géométries d'extension, un protocole approprié consiste à effectuer cinq étapes de gonflage à 0, 2, 7, 10 et 15 jours pour réaliser le remplissage des volumes de 50, 75, 105, 165, et 225 cc, respectivement.
- Avant chaque étape de gonflage, la sédation kétamine administrante animale (4-6 mg / kg) et la dexmédétomidine à 20 - 80 ug / kg.
NOTE: La dexmédétomidine est unn agoniste alpha-adrénergique qui peut être inversée par l'atipamézole (1: 1 volume: volume) pour faciliter une récupération plus rapide; Cependant, ce niveau de sédation peut ne pas être suffisante pour que l'animal tolérer l'expansion sans risque excessif de préjudice à l'animal ou les gestionnaires. Si tel est le cas, l'administration anesthésie générale en fournissant isoflurane par ventilation de masque après induction kétamine / acépromazine de. - Attacher deux mesures de bandes flexibles en plastique pour la peau de l'animal en utilisant un ruban chirurgical. Placez les mesures de bande entre les grilles sur les côtés gauche et droit.
- Placez l'animal sur un côté et d'acquérir 30 photographies de la scène du plus grand nombre d'angles différents que possible.
NOTE: L'objectif est de capturer la géométrie des deux grilles visibles lorsque l'animal est allongé sur un côté.- Tout d'abord, la position de la caméra au-dessus de l'animal et se penchant vers le côté caudal, pour capturer un plan où les grilles sont tatoués entièrement visibles et remplir le cadre.
- MOve dans un motif circulaire autour de l'animal dans un arc de la caudale à la direction rostrale, prendre des photos le long du chemin, veiller à ce que, pour chaque photographie, les grilles tatoués qui sont visibles apparaissent tout à fait dans le cadre.
- En même temps, essayez de maximiser l'espace que les grilles occupent dans le cadre. Un coup idéal capturerait le dos de l'animal avec les grilles tatoués et que de petites régions de fond.
- Ensuite, positionner la caméra vers le côté ventral de capturer un angle de prise de vue qui est approximativement parallèle au sol et prendre des photographies en arc de cercle de la ventrale de la région dorsale.
NOTE: La quantité de photographies n'est pas une valeur fixe. Pour une bonne reconstruction, chaque point de la grille doit être tatoué dans au moins 3 photographies; 30 photographies au total est une quantité suffisante pour la reconstruction de la géométrie réussie.
- Placez l'animal sur le côté opposé et prendre 30 photos des deuxles grilles restantes suivant les mêmes étapes décrites ci-dessus.
- Effectuer l'étape de gonflage en trouvant l'orifice de remplissage à distance et en injectant la quantité requise de solution saline correspondant au protocole d'extension de l'intérêt. Utilisation stérile saline à 0,9% injectable.
- Localisez les ports et préparation sur la peau de l'animal avec des lingettes d'alcool isopropylique. Accéder au port avec une aiguille à ailettes de calibre 25 stérile fixée à une seringue remplie de solution saline stérile injectable.
NOTE: Comme cela est décrit ci-dessus, les ports sont tunneled sous-cutanée à une position sur la face dorsale de la ligne médiane antérieure lors de la pose d'extension. - Injecter la quantité désirée de solution saline. S'il vous plaît se référer à la note au début de cette section pour les volumes d'inflation injectés à chaque étape du processus d'expansion.
- Localisez les ports et préparation sur la peau de l'animal avec des lingettes d'alcool isopropylique. Accéder au port avec une aiguille à ailettes de calibre 25 stérile fixée à une seringue remplie de solution saline stérile injectable.
- Répétez les étapes d'acquisition de photo après l'inflation.
- Une fois que le protocole d'inflation est terminée, euthanasier les animaux.
- Administrez généralel'anesthésie en fournissant isoflurane par ventilation de masque après induction kétamine / acépromazine de. Évaluer la profondeur de l'anesthésie en surveillant le réflexe palpébral. En outre, surveiller les signes vitaux (fréquence cardiaque, la température corporelle, la fréquence respiratoire, et / ou de réponse à pincer avec une pince de tissu).
- Euthanasier l'animal par une surdose intraveineuse de pentobarbital 90 - 100 mg / kg. Suite à un surdosage de pentobarbital pour l'euthanasie, confirmer la mort par l'absence de rythme cardiaque détectable en utilisant un oxymètre de pouls et la palpation du pouls, ainsi que l'absence de respiration spontanée.
3. multivue Reconstruction stéréo
- Utilisez un logiciel disponible dans le commerce pour télécharger les fichiers d'image et de reconstruire les modèles géométriques.
- Lancez le logiciel MVS sur le navigateur et connectez-vous.
- Sélectionnez une photo en 3D dans le coin supérieur gauche.
- Cliquez sur ajouter des photos, accédez à l'emplacement de l'imâges et de sélectionner manuellement les 30 photographies correspondant à un modèle unique.
- Nom du modèle et cliquez sur Créer
- Attendez que le modèle à créer. Cela peut prendre plusieurs minutes. Cliquez sur le tableau de bord sur la droite pour revenir à la page d'atterrissage d' origine du logiciel.
REMARQUE: Le tableau de bord présente des images représentatives des modèles géométriques qui ont été créés par l'utilisateur. - Placez le curseur sur le modèle qui vient d'être créé. Placez le curseur sur le coin inférieur droit de l'image du modèle. Cliquez téléchargements et sélectionnez obj.
4. Spline Fit surface
- Utilisez un logiciel open source pour traiter les modèles géométriques.
- Cliquez sur Fichier> Importer-> obj importer le fichier généré à partir du logiciel MVS. Sur le fond de la vue 3D cliquez sur Viewport Shading et select Texture. Recherchez un onglet à droite de la vue 3D avec les sous - menus: Transform, crayon gras, Vue, crayon 3D, etc. Cliquez sur Shading et sélectionnez Shadeless.
- Faites un clic droit sur la géométrie pour le sélectionner. Sur le fond de la vue 3D sélectionner le mode Modifier pour visualiser le maillage triangulaire.
- Sélectionnez un par un des noeuds sur les marques 1 cm de la mesure de la bande.
- Pour sélectionner un point, faites un clic droit dessus, et mettre en évidence le point. Les coordonnées du point apparaissent sur l'onglet sur le côté droit de la vue 3D. Sélectionnez et copiez les coordonnées du point sélectionné dans un fichier texte.
- Répétez cette opération pour tous les points sur les marques 1 cm de la mesure de la bande.
- Pour ce faire, pour les mesures de bande. Des exemples de fichiers de coordonnées de texte sont fournird: tape1.txt, tape2.txt.
NOTE: S'il n'y a pas de nœuds du maillage sur le point d'intérêt, segmenter le maillage jusqu'à ce qu'il y est un nœud sur le point d'intérêt. Pour diviser le maillage sélectionner les trois sommets d'un triangle en appuyant sur la touche Maj et un clic droit sur les sommets. Cliquez ensuite sur le bouton Subdivide sur l'onglet qui apparaît sur le côté gauche de la vue 3D. Cette opération ajoute trois autres noeuds à l'intérieur du triangle sélectionné.
- Sélectionnez les 11 x 11 points de la grille et enregistrer les coordonnées des 121 points à un fichier texte dans le motif représenté sur la figure 1.
- De manière analogue à ce qui a été fait pour les mesures de bande, pour sélectionner un point de la grille, faites un clic droit dessus, le point sera mis en surbrillance. Les coordonnées du point apparaîtra sur l'onglet sur le côté droit de la vue 3D. Sélectionnez et copiez les coordonnées du point sélectionné dans un fichier texte
NOTE: La numérotation des points de la grille est alwcaudal ays à rostral et de la ligne médiane dorsale vers la région ventrale. Cette commande garantit que l'espace des paramètres est cohérent pour deux patchs. À titre d'exemple, le fichier gridReference.txt qui contient les coordonnées de 121 points d'un timbre cutané est fourni.
- De manière analogue à ce qui a été fait pour les mesures de bande, pour sélectionner un point de la grille, faites un clic droit dessus, le point sera mis en surbrillance. Les coordonnées du point apparaîtra sur l'onglet sur le côté droit de la vue 3D. Sélectionnez et copiez les coordonnées du point sélectionné dans un fichier texte
- Télécharger, compiler et installer les bibliothèques splines de C. Le splineLibraryInstallation.txt de fichier contient le lien vers le code source des bibliothèques cannelés et des instructions pour l' installation.
- Compiler le code source pour générer le generateCurve.cpp generateCurve exécutable
NOTE: Le generateCurve du programme ne doit être compilé une fois. Pour compiler ce C ++ code source et générer un exécutable suivez les instructions en haut du fichier de code source generateCurve.cpp. - Utilisez le generateCurve du programme pour s'adapter splines aux mesures de bande et aux points de la grille. Pour exécuter l'exécutable dans un Bcoque de cendre, de type
répertoire $ ./generateCurve- Lors de l'exécution du programme, il demandera à l'utilisateur de taper le chemin d'accès au fichier contenant les coordonnées de la mesure de la bande. Ensuite, le programme vous demandera le nom du fichier de sortie. Ajouter la terminaison .g2 au nom du fichier.
NOTE: La terminaison .g2 signifie des outils de go, et est associée aux bibliothèques splines. Deux exemples de fichiers splines correspondant aux mesures de bande sont disponibles avec ce protocole (tape1.g2, tape2.g2).
- Lors de l'exécution du programme, il demandera à l'utilisateur de taper le chemin d'accès au fichier contenant les coordonnées de la mesure de la bande. Ensuite, le programme vous demandera le nom du fichier de sortie. Ajouter la terminaison .g2 au nom du fichier.
- Utilisez le script Python scalePoints.py à l' échelle les points de grille. Exécutez le programme dans une invite du shell Bash avec trois arguments: le nom des points de la grille et les noms de fichier des splines correspondant aux mesures de bande
répertoire $ python scalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
REMARQUE: Le script scalePoints.py importe les scripts B_spline.py et NURBS_Curv e.py donc les trois scripts doivent être dans le même dossier. - Compiler le code source pour générer le generateSurface.cpp generateSurface exécutable.
REMARQUE: Cette étape ne doit être fait une fois. Des instructions plus détaillées sont disponibles au début du fichier de code source generateSurface.cpp. - Utiliser le programme generateSurface pour être compatibles avec une surface cannelée aux points de la grille. Exécutez le generateSurface exécutable sur le shell Bash
répertoire $ ./generateSurface- L'exécution du programme dans un shell vous demandera le nom du fichier contenant les points mis à l'échelle. Ensuite, il vous demandera le nom du fichier de sortie. Ajouter la terminaison .g2 au nom du fichier de sortie.
NOTE: Le .g2 de terminaison est suggérée par les bibliothèques splines et supports pour outils go. Les fichiers gridReference.g2 et gridDeformed.g2 sont fournis à titre d' exemple.
- L'exécution du programme dans un shell vous demandera le nom du fichier contenant les points mis à l'échelle. Ensuite, il vous demandera le nom du fichier de sortie. Ajouter la terminaison .g2 au nom du fichier de sortie.
- Démarrez Python dans l'invite du shell Bash
répertoire $ python
REMARQUE: Python initialise l'interprète, qui est une interface similaire à la coquille qui montrera un nouvel environnement de ligne de commande >>> - Importez le script expansionIGA.py qui contient une fonction appelée evaluateMembraneIGA
>>> de evaluateMembraneIGA d'importation expansionIGA - Appelez la fonction evaluateMembraneIGA pour calculer les cartes de déformation.
NOTE: Cette fonction prend comme arguments:
Nom de fichier de la surface de référence
Nom du fichier de la surface déformée
Résolution de l'évaluation (le nombre de points sont évalués dans chaque direction)
La valeur minimale de l'étirage de la zone utilisée à l'échelle du tracé de contour
La valeur maximale d'étirage de la zone utilisée à l'échelle du tracé de contour
La valeur minimale de l'étirage dans la direction longitudinale noused à l'échelle les contours
La valeur maximale d'étirage dans le sens longitudinal utilisé à l'échelle les contours
La valeur minimale de l'étirage dans la direction transversale utilisée à l'échelle les contours
La valeur maximale de l'étirage dans la direction transversale utilisée à l'échelle les contours
L'espacement entre les lignes de grille dans le tracé de contours
nom de fichier de sortie- Par exemple, exécutez
>>> evaluateMembraneIGA ( 'gridReference.g2', 'gridDeformed.g2', 250, 3, 0,5, 2, 0,5, 2, 0,5, 25, 'déformation')
REMARQUE: Cette commande va générer et enregistrer six fichiers de sortie. Notez que le dernier argument dans l'exemple ci - dessus est la déformation du nom de fichier de sortie, ainsi, les fichiers qui seront générés sont les suivants :
deformation_theta.png: tracé de contour de la portion de la zone
deformation_theta.txt: table de valeurs correspondant à la courbe de contour de zone étendue
deformation_G1.png: tracé de contour de l'alon stretchg l'axe longitudinal de l'animal
deformation_G1.txt: table de valeurs correspondant à la courbe de contour de tronçons le long de l'axe longitudinal de l'animal
deformation_G2.png: tracé de contour de l'élément extensible dans l'axe transversal de l'animal
deformation_G2.txt: table de valeurs correspondant à la courbe de niveau de la composante de l'étirement dans l'axe transversal de l'animal
REMARQUE: Ne confondez pas la fin des fichiers de spline, .g2, avec le vecteur G2. Les fichiers ont spline la fin .g2 suivant les conventions de nommage de la bibliothèque spline. D'autre part, les vecteurs G1 et G2 représentent les directions longitudinale et transversale par rapport à l'animal.
REMARQUE: Les fichiers de contour sont générés avec des caractéristiques distinctes aux quatre coins pour faciliter l'interprétation de l'espace des paramètres: pixel noir: la plupart caudales, point le plus dorsal; coin pixel rouge: most rostral, le point le plus dorsal; coin pixel vert: la plupart caudale, point le plus ventral; coin pixel bleu:, point le plus ventral plus rostrale.
- Par exemple, exécutez
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Representative Results
Cette méthodologie a été utilisée avec succès pour étudier la déformation induite par différentes géométries d'extension: rectangle, sphère et extenseurs de croissant 31, 32. Les résultats correspondant aux extenseurs de la sphère et du croissant sont discutés à côté. La figure 2 illustre les trois étapes de reconstruction de modèle MVS. Le point de départ est une collection de photographies d'une scène statique. L'animal avec les grilles tatoués et les mesures de bande mentait encore que les photographies ont été prises sous des angles différents. L'algorithme MVS appariées entre les caractéristiques des images, pour extraire des coordonnées 3D. Par conséquent, un modèle géométrique constitué par un maillage triangulaire avec la texture a été généré.
Le protocole décrit ici peut être utilisé pour étudier les différents aspects du processus d'expansion des tissus. les variationsdans les souches régionales induites par extenseurs sphère et croissant est un aspect important du processus d'expansion car elle conduit à des variations régionales dans la quantité de peau adulte. Les deux appareils ont été remplis au même volume à chaque point de temps. Cinq étapes de gonflage ont été effectuées à 0, 2, 7, 10 et 15 jours afin de générer des volumes de remplissage de 50, 75, 105, 165, et 225 cc. La figure 3 montre des photographies des grilles de peau étendues à la fin de chaque étape de l' inflation. Les extenseurs étirées la peau et la déformation était apparente par la déformation de la grille au fil du temps.
Pour chaque configuration de la grille une surface cannelée a été généré comme décrit dans la section Protocole. Les déformations ont été calculées en choisissant une référence et une grille déformée comme illustré sur la Figure 1. Les résultats de deux types d'analyses différentes sont discutées ici. Pour étudier la déformation chronique, le porc au jour 0 a été choisi comme til référence la configuration et par rapport à tous les autres points de temps. En comparant la fin de chaque étape de gonflage aux résultats de la configuration de référence dans les tracés de contour représentés sur la figure 4. La méthodologie présentée ici des extraits de trois mesures de déformation. Le changement de zone est notée θ, l'étirement dans la direction longitudinale est appelé λ G1, G2 et λ est l'étirement dans la direction transversale, comme représenté sur la Figure 1. La progression des changements de la région et des étirements dans les deux directions orthogonales pour extenseurs sphère et croissant sont représentés à la figure 4. surfaces splines sont généralement lisses et donc les tracés de contours correspondants étaient lisses. Néanmoins, la grossièreté du maillage a été mis en évidence par les contours qui ont montré des caractéristiques d'accompagnement. Une grille plus fine augmenterait la fidélité des cartes de déformation. Néanmoins, les différences entre les différentes géométries d'extension a été immédiatement apparent et quantifiables. Même si les deux extenseurs ont été remplis au même volume, l'expansion sphérique induit une déformation plus grande. La variation spatiale des tracés de contour a révélé que plus de peau a été étirée au centre du dispositif d'expansion par rapport à la périphérie de la grille. Les résultats sont résumés dans le tableau 1.
Une seconde analyse a consisté à déterminer la déformation aiguë à chaque étape de gonflage. Dans ce cas, la configuration de référence était la grille juste avant l'expansion, et la grille déformée était que, immédiatement après l'étape de l'inflation. Les déformations induites à chaque étape de l'inflation étaient remarquablement similaires en moyenne entre les différents points de temps. Le résumé est contenu dans le tableau 2. En moyenne, la déformation était proche de 1 (où 1 serait l'absence de déformation). L' inspection des cartes de contour de la figure 5 a présenté des variations spatiales évidentes. Même si il n'y avait presque pas de déformation en moyenne, certaines zones de la grille ont été tendues tandis que d'autres ont été rétrécis par rapport à la référence. Comme pour l'analyse de la déformation chronique, les régions du centre étaient ceux étant les plus étirées.
Dans les deux cas aigus et chroniques, des étirements longitudinaux et transversaux ont montré une nette tendance indicative d'anisotropie. Peau, comme la plupart des tissus collagéniques, montre une orientation de fibre préférée contribuant à une réponse mécanique anisotrope 25. Dans le cas d' une peau dans le dos d'un porc, les fibres sont censés être alignés transversalement 33. Nos expériences ont montré que lors de l'expansion de la peau, les étirements dans les directions longitudinales étaient toujours supérieures à celles dans la direction transversale. Cela est vrai tant pour la sphère et les extenseurs de croissant, à tous les points de temps, et pour la déformation aiguë et chronique Contours. Ce résultat confirme l'hypothèse que l'anisotropie de la peau peut influer sur les déformations induites lors d'une procédure de dilatation de tissu.
Figure 1: Configurations et grille de paramètres Espace. Grids sont tatoués sur le dos des animaux et photographiées avec des mesures de bande en place afin d'escalader les modèles géométriques (en haut). Déformation entre une référence et une configuration déformée est caractérisée par trois variables: zone de changement thetav, G1 λ d'étirement longitudinal, et λ étirage transversal G2 ( en haut). La grille est toujours paramétrés par la numérotation des points toujours de caudale à rostre et de dorsale directions ventrale ( en bas à gauche). La sortie de l'analyse est un tracé de contour au-dessus de l'espace des paramètres. Les contours sont marqués au niveau des coins avec un pixel qui takes pour faciliter l' identification de caudal, rostral, dorsale, et sur les côtés ventraux la couleur noire, rouge, vert, et bleu, ( en bas à droite). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2: Reconstruction stéréo multi-vue d'un processus d'expansion. MVS est un algorithme de vision par ordinateur qui prend des photographies d'entrée sous des angles différents avec des positions de caméra inconnus (à gauche). L'algorithme correspond à des caractéristiques à travers les images pour trouver des coordonnées 3D (centre). La sortie de l'algorithme est un maillage triangulaire avec la superposition de texture (à droite). (Figure adaptée avec la permission de 31) S'il vous plaît cliquer surici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3: Expansion de Sphère et du Croissant - Expander. Sphère (rangée du haut) et le croissant (rangée du bas) expanseurs ont été placées sous la peau tatouée sur le dos d'un porc et gonflés aux jours 0, 2, 7, 10 et 15 jours afin de générer des volumes de remplissage de 50, 75, 105, 165, et 225 cc. (Figure adaptée avec la permission de 31). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4: chronique Deformation induite par Sphère et du Croissant - Expander. Les grilles tatoués ont été convertis en surfaces spline pour l'analyse (lignes 1 et 2).En prenant la référence à la grille soit au jour 0, trois mesures de déformation ont été calculées. changement de la région ont montré des valeurs progressivement plus élevées au cours du temps, avec une déformation plus élevée dans la région centrale de l'organe de détente, et à la déformation plus élevée dans la sphère par rapport au croissant (lignes 3 et 4). tronçons longitudinaux (lignes 5 et 6) ressemblaient à la zone tronçons tout en tronçons transversaux (lignes 7 et 8) présente des bandes de déformation et moins extensible par rapport à la direction longitudinale. (Figure adaptée avec la permission de 31) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 5: Déformation aiguë induite par Sphère et du Croissant - Expander. En prenant comme référence la configuration juste avant une étape d'inflation, et commedéformer la configuration immédiatement après l'injection de la solution dans un dispositif d'expansion, déformations aigus ont été calculées. Les cartes de déformation étaient lisses, cependant, certains effets de bord sont perceptibles et la grossièreté de la discrétisation se reflétait dans les modèles ponctuels comme de déformation. changements dans la région (lignes 1 et 2) ont montré des variations régionales, avec allongement plus élevé dans la région correspondant à l'organe de détente. Étirements étaient similaires dans les différents points de temps. pourrait être vu la même tendance pour les tronçons longitudinaux (lignes 3 et 4). tronçons transversaux (lignes 5 et 6) ont montré des distributions plus uniforme et des valeurs plus faibles par rapport au cas longitudinal. (Figure adaptée avec la permission de 31) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| Heure [jours] | Volume [cc] | Zone de changement θ | Étirement longitudinal λ G1 | Étirage transversal λ G2 | |||||||
| max | min | avg | max | min | avg | max | min | avg | |||
| 0 | sphère | 50 | 1,44 | 0,71 | 0,98 | 1,37 | 0,76 | 1 | 1.17 | 0,84 | 0,97 |
| 0 | croissant | 50 | 1,46 | 0,76 | 0,98 | 0,79 | 1 | 1.17 | 0,84 | 0,98 | |
| 2 | sphère | 75 | 1,74 | 0,68 | 1,08 | 1,51 | 0,73 | 1,08 | 1.19 | 0,75 | 1 |
| 2 | croissant | 75 | 1,43 | 0,66 | 1 | 1.31 | 0,65 | 1 | 1,26 | 0,77 | 1 |
| 7 | sphère | 105 | 0,01 | 0.69 | 1.21 | 1.7 | 0,75 | 1.13 | 1,32 | 0,84 | 1,07 |
| 7 | croissant | 105 | 1,66 | 0,83 | 1.15 | 1.4 | 0,87 | 1.11 | 1.33 | 0,86 | 1.03 |
| dix | sphère | 165 | 2.26 | 0,74 | 1,36 | 1,76 | 0,77 | 1.21 | 1,39 | 0,83 | 1.11 |
| dix | croissant | 165 | 1,86 | 0,87 | 1,26 | 1,58 | 0,8 | 1.15 | 1,45 | 0,83 | 1.09 |
| 15 | sphère | 225 | 2,77 | 0,72 | 1,52 | 2.01 | 0.69 | 1,29 | 1,47 | 0,89 | 1.18 |
| 15 | croissant | 225 | 1,87 | 0,83 | 1,32 | 1,46 | 0,84 | 1.17 | 1,44 | 0,92 | 1.14 |
| 21 | sphère | 225 | 3,09 | 0,93 | 1.7 | 2.13 | 0,9 | 1.33 | 1,62 | 0,98 | 1,27 |
| 21 | croissant | 225 | 2,25 | 0,87 | 1,49 | 1,66 | 0,85 | 1,25 | 1,67 | 0,96 | 1.2 |
Tableau 1: Sommaire des chroniques Deformation. Les souches ont été calculées en prenant la configuration initiale en tant que référence et en comparant les patchs à la fin de chaque étape de gonflage par rapport à lui. La moyenne de la déformation attribué à l'expanseur de sphère atteint 1,70 au jour 21 alors que l'organe de détente en forme de croissant dans la zone déformée de 1,49 à la fin de l'expansion. Il y avait une variation spatiale significative et valeurs maximales et minimales varient par rapport à la moyenne. Les tronçons longitudinaux atteint 1,33 et 1,25 pour la sphère et croissant respectivement expandeurs, tandis tronçons transversaux sont plus faibles, avec des valeurs de 1,27 et 1,20. (Tableau adapté avec la permission de
ontenu » fo: keep-together.within page = « 1 »> Tableau 2:.. Résumé des Deformation aiguë ont été calculés en fonction Souches la configuration avant l'expansion comme la référence et la configuration immédiatement après l'étape de l' inflation comme la grille déformée sur en moyenne, les deux la sphère et extenseurs croissant ont montré des tendances similaires, avec des valeurs proches de 1 qui indiquerait aucune déformation. Cependant, en raison des variations spatiales, nous avons mesuré les changements de superficie maximale étaient aussi élevés que 1,60 pour la sphère et 1,50 pour le croissant. le étirements dans les directions longitudinale et transversale sont anisotropes, avec les valeurs maximales des tronçons longitudinaux presque toujours plus élevées que les tronçons transversaux. (Tableau adapté avec la permission de 31) Heure [jours] Expander Volume [cc] Zone de changement θ Étirement longitudinal λ G1 Étirage transversal λ G2 max min avg max min avg max min avg 0 sphère 50 1,32 0,72 0,98 1,44 0,75 1 1,23 0,83 0,97 0 croissant 50 1.5 0,71 0,98 1.3 0,8 1 1.21 0,84 0,98 2 sphère 75 1,36 0.69 0,98 1,26 0,66 1 1.2 0,8 0,98 2 croissant 75 1.31 0,61 0,98 1.24 0,8 1,01 1,34 0,68 0,97 7 sphère 105 1.4 0,79 0,98 1.3 0,57 1 1.2 0,77 0,98 7 croissant 105 1,37 0.59 1 1.6 < / Td> 0,83 1.02 1,16 0,77 0,98 dix sphère 165 1.6 0,73 1,01 1.35 0,6 1.02 1,25 0,75 0,99 dix croissant 165 1,48 0,58 1,01 1,42 0,75 1.02 1.22 0,77 1 15 sphère 225 1,27 0,73 1,01 1.35 0,55 1.02 1.22 0,79 0,98 15 croissant 225 1,34 0,54 1.02 1,37 0,8 1.02 1,32 0,81 1
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Discussion
nous avons présenté un protocole pour caractériser les déformations induites lors d'une procédure d'expansion tissulaire dans un modèle porcin en utilisant stéréo multi-vues (MVS) et la cinématique isogéométrique (cinématique IGA). Au cours de l'expansion des tissus, la peau subit des déformations importantes allant d'une surface lisse et relativement plate à une forme de dôme 3D. Peau, comme les autres membranes biologiques 34, répond à étirer par la production de nouveaux matériaux, l' augmentation de la superficie qui peut être ensuite utilisé à des fins de reconstruction 35. Par conséquent, la détermination précise de l'étirement produit par un dispositif d'expansion est cruciale pour comprendre les mécanismes qui régissent l'adaptation de la peau. La planification d' une procédure d'expansion est difficile , car extenseurs de tissus viennent dans différentes tailles et formes, la distribution d'étirement est pas uniforme sur l'ensemble de la zone élargie et cela dépend de l'emplacement et le taux d'inflation 11,ref "> 36. Avoir un protocole pour estimer la déformation et capable induite par l' expansion de précision la résolution de grandes déformations, des formes 3D, et les variations régionales, ouvre de nouvelles voies pour étudier la régulation mécanique de la croissance de la peau, et peut éventuellement conduire à des outils de planification préopératoire quantitative . vers cet objectif, nous avons développé une méthodologie non invasive, abordable et flexible pour mesurer la déformation dans un modèle porcin d'expansion de la peau 32.
étapes critiques
Les modèles animaux pour l' expansion des tissus ont été bien caractérisés depuis plus de deux décennies 37. la peau porcines montre des propriétés comparables à tégument humain. De plus, l' expansion de la peau chez le porc fait suite à une procédure similaire à celle qu'il serait fait chez l' homme 38. La procédure d'expansion des tissus est la pierre angulaire de la réussite de ce protocole. chirurgiens expérimentés, des experts dans l'expansion des tissus, réalisés à la technique dans le modèle animal présenté ici.
La peau est convenablement exposée à l'environnement extérieur et il est une membrane mince, donc sa déformation peut être caractérisée par des points de repérage sur sa surface 17. MVS offre une technique flexible et abordable pour étudier les déformations de la peau 3D in vivo sur de longues périodes de temps. Cet algorithme prend en entrée un ensemble de photographies à partir d'une scène statique et utilise la correspondance de caractéristiques pour les images, pour extraire des coordonnées 3D. reconstruction MVS et l'analyse cinématique subséquente dépendent de façon critique les étapes d'acquisition de photo de ce protocole.
Modifications et dépannage
Au cours de l'expansion des tissus, le dispositif peut migrer loin de la grille en raison du mouvement des animaux et de relâchement de la poche dans laquelle l'extenseur a été initialement placé. Si la zone élargie se déplace à l'extérieur de la grille, l'extension doit être dégonflé et retiré. cette problème a été rencontré en utilisant le protocole dans une des huit grilles 31, 32. Extenseurs peuvent également fuir si elles sont défectueuses ou troué lors du protocole d'inflation. Ce compromis aussi la validité de l'expérience et la sécurité de l'animal, doit donc être retiré du détendeur. Ce problème a été rencontré en utilisant ce protocole dans l' une des huit grilles 31, 32.
Reconstruction MVS peut être difficile pour certaines séries de photographies en raison des effets de lumière, manque de concentration, et le bruit de fond 23. Même si les outils commerciaux pour MVS sont puissants, si les résultats ne sont pas assez précis dans un premier temps, les étapes de dépannage suivantes ont toujours corrigé le problème de notre expérience: supprimer manuellement l'arrière-plan dans les photographies; sélectionner un sous-ensemble de photographies avec un accent plus nette et jeter i floue; mages sélectionner manuellement les points correspondants à travers des photos dans l'interface du logiciel commercial.
Limites de la technique
Comme indiqué plus haut, tégument porcine est semblable à l' homme 38, cependant, il y a encore des différences. Par conséquent, un modèle porcin ne devrait pas être totalement prédictive des protocoles d'expansion de tissus humains 37. Une autre limitation du protocole est le manque d'outils commerciaux ou de logiciels conviviaux pour analyser les modèles géométriques. À l'heure actuelle, une fois que la géométrie est générée par MVS, l'analyse est effectuée avec le code interne qui se compose de C ++ et scripts python. Alors que d'une part, la méthode proposée est créative et offre un moyen pratique et abordable pour étudier la mécanique des tissus mous sur de longues périodes de temps, l'analyse des données dépend des technologies qui ont seulement été populaires pendant la dernière décennie 27. pour Circumvent cette limitation, nous offrons notre mise en œuvre de spline avec les sous-routines cette soumission. Une autre limitation est la restriction d'une grille tatoué afin de suivre les déformations chroniques. La nécessité d'une grille tatouée empêche la traduction du protocole aux paramètres cliniques.
Signification de la technique par rapport aux éléments existants / méthodes alternatives
À l' heure actuelle, les médecins comptent principalement sur leur expérience lors de la planification préopératoire des procédures d'expansion des tissus, ce qui a conduit à une grande variété de protocoles arbitraires qui diffèrent souvent beaucoup 13, 14, 15. Le protocole présenté ici aborde les lacunes des connaissances existantes en quantifiant la déformation induite par l'expansion dans un modèle animal porcin de l'expansion des tissus. A la connaissance de l'auteur, c'est le premier protocole de quantifier les cartes de déformation continue sur des taches considérables de tissus de la peau <classe sup = "xref"> 31, 32.
Le protocole est novateur, non-invasive, abordable et flexible; elle repose sur les développements récents dans les algorithmes de vision par ordinateur tels que MVS, et l'analyse numérique tels que Cinématique IGA. MVS a avancé intensément au cours des dix dernières années, atteignant des erreurs de reconstruction aussi bas que 2% 24. La hausse des logiciels disponibles dans le commerce ainsi que le code open source présente la grande popularité de cette méthode 41. MVS est abordable, car il ne nécessite qu'un appareil photo numérique et les photos sont prises sans étalonnage de la position de la caméra. En revanche, d' autres techniques telles que la reconstruction stéréo nécessitent du matériel supplémentaire pour contrôler l'emplacement de la caméra 17. MVS est flexible car elle peut être réalisée dans une variété de scénarios aussi longtemps que les photos peuvent être prises sous différents angles. Ceci est une caractéristique qui devient plus releVant lors de l'examen d'une application clinique potentielle. En revanche, d' autres techniques telles que le suivi de mouvement nécessitent une configuration spécifique et ne peuvent pas être effectuées dans un emplacement arbitraire 18. Une autre caractéristique de MVS est la production de géométries 3D. D' autres techniques, telles que la corrélation d'images numériques (DIC), sont préférés pour un mouvement de suivi 2D 39. Les résultats présentés ici ont présenté la capacité des algorithmes commerciaux de reconstituer fidèlement les formes 3D induites lors de l'expansion des tissus.
Des géométries 3D, déformations doivent être calculées. Ce protocole repose sur l'utilisation de la cinématique IGA de surface de spline. Splines sont utiles parce que quelques points de contrôle des géométries paramétriser lisses avec une grande continuité qui sont nécessaires pour l' analyse des membranes minces 40. Le plus grand avantage de splines dans cette application est la notion d'un espace paramétrique. D'autres techniques, telles que ele finiments, manque un domaine global des paramètres. Bien que ce soit pratique pour certains problèmes tels que la simulation de taches irrégulières (par exemple des taches avec des trous), ayant un paramétrage explicite permet la détermination de tronçons entre deux configurations d'une manière directe. Par exemple, deux analyses différentes ont été montrées ici: déformations chroniques et aiguës. Pour calculer les souches dans les grilles avec ce protocole, il suffit de fournir les cannelures des deux surfaces d'intérêt puisque toutes les surfaces ont le même domaine de paramètres.
Au cours de l'expansion des tissus, la peau répond à la déformation appliquée par la croissance de la surface, la production de nouveaux tégument qui peut ensuite être utilisé pour la chirurgie reconstructive. Déformations cliniquement pertinentes qui caractérise la peau pendant de longues périodes de temps peut améliorer notre compréhension du mécanobiologie de cet organe ainsi que de permettre le développement d'outils quantitatifs pré-opératoires. Le protocole décrit sone porte spécifiquement sur la nécessité d'un plan expérimental avec traduction potentielle pour la clinique.
Les applications futures ou les directions après maîtrise de cette technique
Le code source qui est utilisé dans ce protocole pourrait facilement être adapté à d'autres applications et pourrait être incorporée dans des implémentations plus conviviales. Fourni avec le présent document sont des routines pour évaluer les fonctions de base spline, paramétrez champs continus sur les surfaces splines, intégrer ces champs continus et calculer des gradients de déformation, la membrane et des déformations de flexion. Nous nous attendons à ce que ce code source continuera d'évoluer vers un outil qui peut être éventuellement utilisé dans des applications cliniques réelles de l'expansion des tissus ainsi que permettre à d'autres applications. Un autre domaine de travail futur est le raffinement de ce protocole à prendre en considération les propriétés mécaniques et contraintes dans le tissu et non seulement la cinématique.
From un point de vue clinique pertinente, ce protocole est en mesure de quantifier les variations régionales de déformation des tissus, ainsi que les différences entre les différentes formes d'expansion et des taux d'inflation 31, 32. D'autres travaux sont nécessaires pour continuer à évaluer l'effet de différents paramètres d'expansion sur la réponse des tissus. De plus, plus le raffinement du modèle porcin en mettant l'accent sur les mécanismes biologiques d'adaptation peut aider à élucider les mécanismes fondamentaux régissant l'adaptation de la peau à surexploiter. Le but ultime est de valider le protocole dans un modèle porcin afin de le traduire à la clinique.
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Disclosures
auteurs sLe ont rien à révéler.
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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