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Bioengineering

त्वचा विस्तार मल्टी देखें स्टीरियो और Isogeometric कीनेमेटीक्स का उपयोग का एक सुअर मॉडल में तनाव की मात्रा

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

यह प्रोटोकॉल तीन आयामी (3 डी) तस्वीरों की गैर-अंशांकित दृश्यों से बाहर मॉडल उत्पन्न करने के लिए बहु दृश्य स्टीरियो का उपयोग करता है, यह सस्ती और एक शल्य चिकित्सा की स्थापना करने के लिए समायोज्य बना रही है। 3D मॉडल के बीच तनाव नक्शे पट्टी आधारित isogeometric कीनेमेटीक्स, जो एक ही parameterization साझा करने मोटे meshes से अधिक चिकनी सतहों के प्रतिनिधित्व की सुविधा के साथ मात्रा निर्धारित कर रहे हैं।

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

ऊतक विस्तार प्लास्टिक और पुनर्निर्माण सर्जरी में एक आम तकनीक है कि बड़े त्वचीय दोष 1 के सुधार के लिए विवो में त्वचा बढ़ता है। न्यूमन, 1957 में, इस प्रक्रिया दस्तावेज़ के लिए पहले सर्जन था। उन्होंने कहा कि एक मरीज की त्वचा के नीचे एक गुब्बारे प्रत्यारोपित और कई सप्ताह की अवधि के नए ऊतक के विकास और एक कान 2 संगठित करने पर धीरे-धीरे यह फुलाया। त्वचा, सबसे जैविक ऊतकों की तरह, आदेश यांत्रिक समस्थिति तक पहुंचने के लिए लागू किया जाता बलों और विकृतियों के लिए adapts। जब शारीरिक शासन परे फैला, त्वचा 3, 4 बढ़ता है। ऊतक विस्तार के केंद्रीय लाभों में से एक उचित vascularization और एक ही बाल असर, यांत्रिक गुणों, रंग, और बनावट आसपास के ऊतकों 5 के रूप में के साथ त्वचा के उत्पादन है।

इसकी शुरूआत छह दशक पहले, त्वचा expansio के बादn व्यापक रूप से प्लास्टिक और पुनर्निर्माण शल्य चिकित्सक द्वारा अपनाया गया है और इस समय जलता है, बड़े जन्मजात दोष, और स्तन 6, 7 के बाद स्तन पुनर्निर्माण के लिए सही करने के लिए प्रयोग किया जाता है। फिर भी, इसकी व्यापक उपयोग के बावजूद, त्वचा विस्तार प्रक्रियाओं जटिलताओं 8 हो सकता है। यह आंशिक रूप से पर्याप्त मात्रात्मक प्रक्रिया के मौलिक mechanobiology समझने के लिए और पूर्व शल्य चिकित्सा की योजना बना 9, 10 के दौरान सर्जन मार्गदर्शन करने के लिए आवश्यक साक्ष्य के अभाव के कारण है। इस तकनीक में कुंजी पैरामीटर भरने दर, मुद्रास्फीति प्रति मात्रा भरने, आकार और विस्तारक के आकार का चयन, और डिवाइस 11, 12 की नियुक्ति कर रहे हैं। वर्तमान पूर्व शल्य चिकित्सा की योजना बना काफी हद तक चिकित्सक के अनुभव पर निर्भर करता है, मनमाने ढंग से प्रोटोकॉल की एक विस्तृत विविधता है कि अक्सर greatl अलग है, जिसके परिणामस्वरूपy 13, 14, 15।

वर्तमान ज्ञान कमियों को संबोधित करने के लिए, हम ऊतक विस्तार का एक सुअर पशु मॉडल में विस्तार प्रेरित विरूपण अंदाजा लगाना एक प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं। प्रोटोकॉल बहु दृश्य स्टीरियो (MVS) के उपयोग के अज्ञात कैमरा पदों के साथ दो आयामी (2 डी) छवियों के दृश्यों में से तीन आयामी (3 डी) geometries फिर से संगठित करने पर निर्भर करता है। splines को रोजगार, चिकनी सतहों के प्रतिनिधित्व एक isogeometric (IgA) विवरण के माध्यम से इसी विरूपण नक्शे की गणना करने के लिए ले जाता है। ज्यामिति के विश्लेषण एक स्पष्ट parameterization 16 होने झिल्ली का सातत्य यांत्रिकी के सैद्धांतिक ढांचे पर आधारित है।

समय की लंबी अवधि से अधिक सामग्री जीने की physiologically प्रासंगिक विकृतियों की विशेषताओं अभी भी एक चुनौतीपूर्ण समस्या बनी हुई है। के लिए आम रणनीतिजैविक ऊतकों की इमेजिंग स्टीरियोस्कोपिक डिजिटल छवि सहसंबंध, चिंतनशील मार्कर के साथ वाणिज्यिक मोशन कैप्चर सिस्टम, और द्विपंखी विमान वीडियो प्रतिदीप्तिदर्शन 17, 18, 19 में शामिल हैं। हालांकि, इन तकनीकों एक प्रतिबंधक प्रयोगात्मक सेटअप की आवश्यकता होती है, आम तौर महंगे हैं, और मुख्य रूप से पूर्व विवो या विवो सेटिंग्स में तीव्र के लिए इस्तेमाल किया गया है। त्वचा एक पतली संरचना होने का लाभ है। भले ही यह कई परतें होती हैं, त्वचा के ऊतकों के यांत्रिक गुणों और के लिए काफी हद तक जिम्मेदार है इस प्रकार सतह विरूपण प्राथमिक महत्व 20 की है, उचित kinematical मान्यताओं विमान विरूपण 21, 22 से बाहर के बारे में बनाया जा सकता है। इसके अलावा, त्वचा पहले से ही बाहर के वातावरण के संपर्क में है, यह संभव पारंपरिक इमेजिंग उपकरणों का उपयोग करने के लिए अपने ज्यामिति कब्जा करने के लिए बना रही है। एचपहले हम एक किफायती और लचीला दृष्टिकोण के रूप में MVS के उपयोग के लिए एक ऊतक विस्तार प्रोटोकॉल के साथ एक व्यावसायिक हस्तक्षेप किए बिना कई हफ्तों से अधिक त्वचा की इन विवो विकृतियों की निगरानी करने का प्रस्ताव। MVS एक तकनीक है कि कोण 23 अज्ञात कैमरा के साथ 2 डी छवियों का एक संग्रह से वस्तुओं या दृश्यों के 3D प्रतिनिधित्व निकालता है। केवल पिछले तीन वर्षों में, कई वाणिज्यिक कोड दिखाई दिया (उदाहरण के लिए सामग्री की सूची देखें)। MVS साथ मॉडल पुनर्निर्माण की उच्च सटीकता, 2% 24 जितनी कम त्रुटियों के साथ, विज्ञान सम्बन्धी समय की लंबी अवधि से अधिक विवो में त्वचा के लक्षण वर्णन के लिए उपयुक्त इस दृष्टिकोण बनाता है।

ऊतक विस्तार के दौरान त्वचा की इसी विरूपण नक्शे प्राप्त करने के लिए, किसी भी दो ज्यामितीय विन्यास के बीच अंक मिलान किया जाता है। पारंपरिक, कम्प्यूटेशनल जैव यांत्रिकी में शोधकर्ताओं परिमित तत्व meshes और उलटा विश्लेषण का इस्तेमाल किया है विरूपण नक्शा पुनः प्राप्त करने के25, 26। आईजीए यहां कार्यरत दृष्टिकोण पट्टी आधार कार्य करता है जो पतली झिल्ली 27, 28 के विश्लेषण के लिए कई लाभ प्रदान करते उपयोग करता है। अर्थात्, उच्च स्तर की बहुआयामी पद की उपलब्धता भी बहुत मोटे meshes 29, 30 के साथ चिकनी geometries के अभ्यावेदन की सुविधा। इसके अतिरिक्त, यह सभी सतह धब्बे, जो एक व्युत्क्रम समस्या के लिए की जरूरत न खाने वाले discretizations के लिए खाते में गतिरोध उत्पन्न करने के लिए एक ही अंतर्निहित parameterization फिट करने के लिए संभव है।

विधि यहाँ वर्णित समय की लंबी अवधि से अधिक विवो सेटिंग में प्रासंगिक में त्वचा यांत्रिकी का अध्ययन करने नए रास्ते खोलता है। इसके अलावा, हम उम्मीद है कि हमारी पद्धति नैदानिक ​​सेटिंग में व्यक्तिगत उपचार योजना के लिए कम्प्यूटेशनल उपकरण विकसित करने का अंतिम लक्ष्य की दिशा में एक सक्रिय करने के कदम है कर रहे हैं। </ P>

Protocol

यह प्रोटोकॉल पशु प्रयोगों शामिल है। प्रोटोकॉल ऐन और शिकागो रिसर्च सेंटर पशु की देखभाल और उपयोग समिति के रॉबर्ट H लुरी बच्चों के अस्पताल के आईआरबी द्वारा अनुमोदित किया गया पशुओं के मानवीय उपचार की गार?…

Representative Results

आयत, क्षेत्र और वर्धमान विस्तारक 31, 32: यह पद्धति सफलतापूर्वक विरूपण अलग विस्तारक ज्यामिति से प्रेरित अध्ययन करने के लिए नियोजित किया गया है। गोले और वर्धमान विस्तारक…

Discussion

यहाँ हम विकृतियों एक सुअर मॉडल बहु दृश्य स्टीरियो (MVS) और isogeometric कीनेमेटीक्स (IgA कीनेमेटीक्स) का उपयोग करने में एक ऊतक विस्तार प्रक्रिया के दौरान प्रेरित चिह्नित करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया। ?…

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/
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References

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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).
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