Die Quantifizierung des Stammes in einem Schweinemodell von Haut Expansion Mit Multi-View Stereo und Isogeometrische Kinematics

Summary

Dieses Protokoll verwendet Multi-View-Stereo dreidimensionale (3D) Modelle aus unkalibrierten Sequenzen von Fotografien zu erzeugen, ist es erschwinglich und einstellbar auf eine chirurgische Einstellung vornehmen. Dehnungs Karten zwischen den 3D-Modelle sind mit Spline-basierte Isogeometrische Kinematik quantifiziert, die sich über die gleiche Parametrisierung teilen grobe Maschen Darstellung glatten Oberflächen erleichtern.

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

Gewebeexpansion ist eine übliche Technik in der plastischen und rekonstruktiven Chirurgie , die Haut in vivo für die Korrektur von großen Hautdefekten ¹ wächst. Neumann, im Jahr 1957, war der erste Chirurg dieses Verfahren zu dokumentieren. Er implantiert , um einen Ballon unter der Haut eines Patienten und aufgeblasen es nach und nach über einen Zeitraum von mehreren Wochen bis neues Gewebe zu wachsen und ein Ohr ² wieder auftauchen. Haut, wie die meisten biologischen Geweben, passt sich ausgeübten Kräfte und Verformungen, um mechanische Homöostase zu erreichen. Wenn über die physiologischen Regime gestreckt, wächst Haut ^{3, 4.} Einer der zentralen Vorteile der Gewebeexpansion ist die Herstellung von Haut mit der richtigen Vaskularisierung und der gleichen Haar Lager, mechanische Eigenschaften, Farbe und Textur als das umgebende Gewebe ^5.

Nach seiner Einführung vor sechs Jahrzehnten, Haut expansion wurde von plastischen und rekonstruktiven Chirurgen weithin angenommen und derzeit Verbrennungen, große angeborene Defekte zu korrigieren und für die Brustrekonstruktion nach Mastektomie ^{6, 7} verwendet wird. Doch trotz seiner weiten Verbreitung, Hautexpansionsverfahren kann zu Komplikationen ⁸ führen. Dies ist zum Teil auf den Mangel an ausreichendem quantitativen Nachweis erforderlich , um die grundlegende Mechanobiologie des Verfahrens zu verstehen und die Chirurgen während der präoperativen Planung ^{9, 10} zu führen. Schlüsselparameter in dieser Technik sind die Füllrate, Volumen pro Inflation Füllung, wobei die Auswahl der Form und Größe des Expanders und die Anordnung der Vorrichtung ^{11, 12.} Aktuelle präoperativen Planung stützt sich weitgehend auf die Erfahrung des Arztes, in einer Vielzahl von beliebigen Protokollen führt, die oft greatl abweichen^{13 y, 14, 15.}

Um die aktuellen Wissenslücken sprechen, stellen wir ein experimentelles Protokoll expansions induzierte Verformung in einem porcinen Tiermodell der Gewebeexpansion zu quantifizieren. Das Protokoll beruht auf der Verwendung von Multi-View-Stereo (MVS) dreidimensionale (3D) Geometrien aus Sequenzen von zweidimensionalen (2D) Bildern mit unbekannten Kamerapositionen zu rekonstruieren. Verwendung von Keilen, die Abbildung der glatten Oberfläche führt zu der Berechnung der entsprechenden Verformungs Karten mittels einer Isogeometrische (IGA) Beschreibung. Die Analyse der Geometrie basiert auf den theoretischen Rahmen der Kontinuumsmechanik von Membranen eine explizite Parametrisierung mit ^16.

Charakterisieren physiologisch relevante Verformungen der Materialien über lange Zeiträume hinweg lebt nach wie vor ein schwieriges Problem. Gemeinsame Strategien fürBildgebung von biologischen Geweben umfasst stereoskopische Bildkorrelation, kommerzielle Bewegungserfassungssysteme mit reflektierenden Markern und biplane Video Fluoroskopie ^{17, 18, 19.} Jedoch erfordern diese Techniken einen restriktiven Versuchsaufbau, sind in der Regel teuer, und haben für ex vivo oder akute in vivo – Einstellungen in erster Linie verwendet. Haut hat den Vorteil, eine dünne Struktur ist. Auch wenn es aus mehreren Schichten besteht, sind die Dermis weitgehend verantwortlich für die mechanischen Eigenschaften des Gewebes und damit die Oberflächenverformung ist von vorrangiger Bedeutung ^20; angemessenen kinematischen Annahmen können ^{21, 22} in Bezug auf die aus der Ebene Verformung erfolgen. Außerdem wird die Haut bereits an die äußeren Umgebung ausgesetzt, es möglich zu verwenden herkömmliche Imaging-Tools machte seine Geometrie zu erfassen. Here schlagen wir die Verwendung von MVS als kostengünstige und flexible Ansatz zur in vivo Verformungen der Haut über mehrere Wochen zu überwachen , ohne majorly mit einem Gewebeexpansion Protokoll zu stören. MVS ist eine Technik , die 3D – Darstellungen von Objekten oder Szenen aus einer Sammlung von 2D – Bildern mit unbekannter Kamera extrahiert Winkel ^23. Erst in den letzten drei Jahren haben mehrere kommerzielle Codes erschienen (Liste der Materialien für siehe Beispiele). Die hohe Genauigkeit der Modellrekonstruktion mit MVS, mit Fehlern so niedrig wie 2% ^24, macht diesen Ansatz geeignet für die kinematische Charakterisierung der Haut in vivo über längere Zeiträume.

Um die entsprechende Verformung Karten von Haut während der Gewebeexpansion, Punkte zwischen zwei beliebigen geometrischen Konfigurationen angepasst zu erhalten. Herkömmlicherweise werden in der Biomechanik computational Forscher Finite-Elemente-Netze und inverse Analyse verwendet, um die Verformung der Karte abrufen^{25, 26.} Der IGA Ansatz hier verwendet wird, verwendet Spline – Basisfunktionen , die mehrere Vorteile für die Analyse von dünnen Membranen ^{27, 28} bieten. Und zwar ermöglicht die Verfügbarkeit von hohen Grad Polynomen Repräsentationen von glatten Geometrien auch bei sehr groben Maschen ^{29, 30.} Darüber hinaus ist es möglich, die gleiche zugrunde liegende Parametrisierung an alle Oberflächenstücke zu passen, was die Notwendigkeit für ein inverses Problem für nicht passende Diskretisierungen zu berücksichtigen umgeht.

Das hier beschriebene Verfahren eröffnet neue Wege Haut Mechanik in relevanten in vivo – Einstellungen über lange Zeiträume zu studieren. Darüber hinaus sind wir zuversichtlich, dass unsere Methodik ist ein förderlicher Schritt in Richtung Endziel der Computational Tools für personalisierte Behandlungsplanung im klinischen Umfeld zu entwickeln. </ P>

Protocol

Dieses Protokoll beinhaltet Tierversuch. Das Protokoll wurde von der IRB von Ann und Robert H. Lurie Kinderkrankenhaus von Chicago Research Center Animal Care und Use Committee genehmigt humaner Behandlung von Tieren zu gewährleisten. Die Ergebnisse für zwei Erweiterungsstudien unter Verwendung dieses Protokolls haben 16 an anderer Stelle veröffentlicht worden, 31. Die Ausführung dieses Protokoll erfordert ein Team mit komplement…

Representative Results

Diese Methode wurde erfolgreich eingesetzt , um die Verformung durch unterschiedliche Geometrien Expander induzierte zu studieren: Rechteck, Kugel und Crescent Expander 31, 32. Die Ergebnisse entsprechen die Kugel und Crescent Expander werden als nächstes diskutiert. Figur 2 zeigt die drei Schritte von MVS Modellrekonstruktion. Der Ausgangspunkt ist eine Sammlung von Fotografien aus einer statischen Szene. Das T…

Discussion

Hier haben wir ein Protokoll, um die Verformungen zu charakterisieren während eines Gewebeexpansion Verfahren in einem Schweinemodell induziert mit Multi-View-Stereo (MVS) und Isogeometrische Kinematik (IGA Kinematik). Während Gewebeexpansion erfährt Haut gehen große Verformungen von einer glatten und relativ flachen Oberfläche mit einer kuppelartigen 3D-Form. Haut, wie auch andere biologische Membranen ^34, reagiert , indem sie die Herstellung von neuem Material strecken, in der Fläch…

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/