כימות של זנים במודל חזירי של הרחבת עור באמצעות סטריאו Multi-הצגת Isogeometric קינמטיקה

Summary

פרוטוקול זה משתמש סטריאו רב במטרה ליצור מודלים תלת-מימדיים (3D) מתוך רצפים לא מכוילים של תמונות, מה שהופך אותו במחיר סביר מתכווננת להגדרה כירורגי. מפות זנים בין מודלי 3D הן לכמת עם קינמטיקה isogeometric המבוסס שגם, אשר להקל ייצוג של משטחים חלקים מעל המשתלב גס שיתוף הזהה parameterization.

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

הרחבת רקמות היא טכניקה נפוצה לכירורגיה פלסטית ושיחזור כירורגיה שצומחת עור in vivo לתיקון פגמים בעור גדול ^1. נוימן, ב 1957, היה המנתח הראשון לתעד הליך זה. הוא מושתל בלון מתחת לעור של מטופל מנופח אותו בהדרגה על פני תקופה של מספר שבועות לצמוח רקמה חדשה, ואף להשפיע אוזן ^2. העור, כמו רוב רקמות ביולוגיות, מסתגל הכוחות המופעלים דפורמציות כדי להגיע הומאוסטזיס מכני. כאשר נמתח מעבר למשטר הפיזיולוגי, עור גדל ^{3, 4.} אחד היתרונות המרכזיים של הרחבת רקמות הוא הייצור של עור עם כלי דם תקינים אותה נושאת השיער, תכונות מכאניות, צבע וטקסטורה כמו הרקמה שמסביב ^5.

לאחר השקתו לפני שישה עשורים, expansio העורn אומצה באופן נרחב על ידי פלסטיק ומנתחים שיקומיים, והוא משמש כיום לתקן כוויות, מומים מולדים גדולים, ועל שחזור שד לאחר כריתת שד ^{6, 7.} עם זאת, למרות השימוש בו נפוץ, נהלי התרחבות עור עלולים לגרום לסיבוכים ^8. זה נובע בחלקו מחוסר ראיות מספיקות כמותית צורך להבין את mechanobiology היסוד של ההליך ועל מנת להנחות את המנתח במהלך התכנון לפני הניתוח ^{9, 10.} פרמטרים עיקריים בטכניקה זו הם בשיעור המילוי, מילוי נפח לכל אינפלציה, הבחירה של הצורה והגודל של ההרחבה, ואת המיקום של המכשיר ^{11, 12.} תכנון לפני ניתוח נוכחי מסתמך במידה רבה על הניסיון של הרופא, וכתוצאה מכך מגוון רחב של פרוטוקולים שרירותיים כי לעתים קרובות שונה greatl^{13 y, 14, 15.}

כדי להתמודד עם פערי הידע הנוכחיים, אנו מציגים פרוטוקול ניסוי לכמת עיוות נגרמת רחבה במודל חיה חזירי של הרחבת רקמות. הפרוטוקול מסתמך על שימוש סטריאו רב-נוף (MVS) לשחזר תלת ממדי (3D) בגיאומטריות מתוך רצפים של דו-ממדי (2D) תמונות עם עמדות מצלמה לא ידועות. העסקת splines, ייצוג של משטחים חלקים מוביל את החישוב של מפות העיוות המתאימות באמצעות תיאור isogeometric (IGA). הניתוח של הגיאומטריה מבוסס על המסגרת התיאורטית של מכניקת רצף של ממברנות שיש parameterization מפורשת ^16.

אפיון דפורמציות רלוונטי מבחינה פיזיולוגית של חיים חומרים על פני תקופות זמן ארוכות עדיין נותרה בעיה מאתגרת. אסטרטגיות נפוצותהדמיה של רקמות ביולוגיות כוללת מתאם תמונה דיגיטלית סטריאוסקופית, מערכות ללכידות תנועה מסחריות עם סמנים רעיוניים, ו fluoroscopy כנפי וידאו ^{17, 18, 19.} עם זאת, טכניקות אלה דורשות התקנה ניסיונית מגבילה, בדרך כלל יקרים, שמשו בעיקר עבור vivo לשעבר או אקוטי במסגרות vivo. עור יש את היתרון של להיות מבנה דק. למרות שזה מורכב מכמה שכבות, הדרמיס הוא אחראי במידה רבה את תכונות מכניות של רקמות ולכן עיוות משטח הוא בעל חשיבות ראשונה במעלה ^20; נחות kinematical סבירות יכולות להתבצע לגבי מתוך עיוות מטוס ^{21, 22.} יתר על כן, עור כבר חשוף לסביבה החיצונית, כך שניתן להשתמש בכלי הדמיה קונבנציונליים כדי ללכוד הגיאומטריה שלה. Here אנו מציעים את שימוש MVS כגישה סבירה וגמישה כדי לפקח in vivo דפורמציות של עור לאורך מספר שבועות מבלי להתערב majorly עם פרוטוקול הרחבת רקמות. MVS היא טכניקת מפיקת ייצוגי 3D אובייקטים או סצנות מתוך אוסף של תמונות 2D עם מצלמה ידועה זוויות ^23. רק בשלוש השנים האחרונות, מספר קודים מסחריים הופיעו (ראה רשימת חומרים עבור דוגמאות). הדיוק הגבוה של שיקום המודל עם MVS, עם שגיאות נמוכות כמו 2% ^24, עושה גישה זו מתאימה לאפיון קינמטיקה של עור in vivo על פני תקופות זמן ארוכות.

כדי להשיג את מפות עיוות המקבילות של עור במהלך הרחבת רקמות, נקודות בין שתי תצורות גיאומטריות מותאמות. כמקובל, חוקר ביומכניקה חישובית השתמש משתלב אלמנטים סופיים וניתוח הפוך כדי לאחזר את מפת העיוות^{25, 26.} הגישה IGA מועסק כאן משתמשת בפונקציות בסיס שגם אשר מציעים כמה יתרונות לניתוח קרומים דקים ^{27, 28.} כלומר, את הזמינות של פולינומים מדרגה גבוהות מקלת ייצוגים של גיאומטריות חלקות אפילו עם משתלב מאוד גס ^{29, 30.} בנוסף, ניתן להתאים אותו parameterization הבסיסית לכל טלאי המשטח, אשר עוקף את צורך בעיה הפוכה לתת דין וחשבון על discretizations שאינו תואם.

השיטה המתוארת כאן פותחת אפיקים חדשים ללמוד מכניקה לעור רלוונטי במסגרות vivo על פני תקופות זמן ארוכות. בנוסף, אנו מלאי תקווה כי המתודולוגיה שלנו היא צעד שמאפשר לקראת המטרה הסופית לפתח כלים חישוביים לתכנון טיפול אישי במסגרת הקלינית. </ P>

Protocol

פרוטוקול זה כרוך בניסויים בבעלי חיים. הפרוטוקול אושר על ידי IRB של אן רוברט ה לוריא החולים לילדים של טיפול בבעלי חיים מרכז המחקר שיקגו ועדת שימוש כדי להבטיח יחס הומאני של חיות. התוצאות עבור שני מחקרי התרחבות באמצעות פרוטוקול זה פורסמו במקום אחר 16, <sup …

Representative Results

מתודולוגיה זו הועסקה בהצלחה ללמוד את העיוות נגרמת גיאומטריות הרחבה שונות: מלבן, כדור ו מרחיבי סהר 31, 32. התוצאות המתאימות המרחיבים בתחום וסהר נדונים הבאים. איור 2 מדגים את שלושת השלבים של שחזור מודל MVS. נקודת המ…

Discussion

כאן הצגנו פרוטוקול לאפיין את דפורמציות המושרה במהלך הליך הרחבת רקמות במודל חזירי באמצעות סטריאו רב-נוף (MVS) ו קינמטיקה isogeometric (קינמטיקה IGA). במהלך הרחבת רקמות, עור עובר עיוותים גדולות יוצא מתוך משטח חלק יחסית שטוח לצורת 3D דמוי כיפה. עור, כמו ממברנות ביולוגיות אחרות <s…

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/