Summary
Questo protocollo utilizza multi-visione stereo per generare modelli tridimensionali (3D) su sequenze non calibrati di fotografie, rendendolo accessibile e regolabile per un ambiente chirurgico. mappe di deformazione tra i modelli 3D vengono quantificati cinematica isogeometrica basati su spline, che facilitano la rappresentazione di superfici lisce oltre mesh grossolane che condividono la stessa parametrizzazione.
Introduction
Espansione del tessuto è una tecnica comune in chirurgia plastica e ricostruttiva che cresce pelle in vivo per la correzione di grandi difetti cutanei 1. Neumann, nel 1957, è stato il primo chirurgo a documentare questa procedura. Ha impiantato un palloncino sotto la pelle di un paziente e gonfiato gradualmente nel corso di un periodo di diverse settimane per crescere nuovo tessuto e riemergere un orecchio 2. Pelle, come la maggior parte dei tessuti biologici, si adatta alle forze applicate e deformazioni per raggiungere l'omeostasi meccanica. Quando si estendeva oltre il regime fisiologico, pelle cresce 3, 4. Uno dei vantaggi centrali di espansione del tessuto è la produzione di pelle con una corretta vascolarizzazione e lo stesso cuscinetto capelli, proprietà meccaniche, colore e struttura come il tessuto circostante 5.
Dopo la sua introduzione sei decenni fa, expansio pellen è stato ampiamente adottato da plastica e ricostruttiva chirurghi ed è attualmente utilizzato per correggere ustioni, grandi difetti congeniti, e per la ricostruzione del seno dopo mastectomia 6, 7. Eppure, nonostante la sua diffusione, le procedure di espansione della pelle può portare a complicazioni 8. Questo è in parte dovuto alla mancanza di dati quantitativi sufficienti necessari alla comprensione delle mechanobiology fondamentale del procedimento e per guidare il chirurgo durante la pianificazione preoperatoria 9, 10. I parametri chiave in questa tecnica sono il tasso di riempimento, volume per inflazione riempimento, la selezione della forma e dimensione dell'espansore, e il posizionamento del dispositivo 11, 12. Corrente pianificazione preoperatoria si basa in gran parte l'esperienza del medico, con conseguente in una vasta gamma di protocolli arbitrarie che spesso differiscono greatly 13, 14, 15.
Per affrontare le lacune nelle conoscenze attuali, presentiamo un protocollo sperimentale per quantificare deformazione espansione indotta in un modello animale suino di espansione del tessuto. Il protocollo si basa sull'utilizzo di multi-visione stereo (MVS) per ricostruire le geometrie tridimensionali (3D) di sequenze di (2D) immagini bidimensionali con posizioni della telecamera sconosciuti. Impiegando spline, rappresentazione di superfici lisce conduce al calcolo dei corrispondenti mappe di deformazione mediante un (IgA) descrizione isogeometrica. L'analisi della geometria si basa sul quadro teorico della meccanica dei continui di membrane aventi una parametrizzazione esplicita 16.
Caratterizzante fisiologicamente deformazioni rilevanti di sostanze per lunghi periodi di tempo vivente rimane ancora un problema difficile. Strategie comuni perimmagini di tessuti biologici includono correlazione stereoscopica di immagini digitali, motion capture sistemi commerciali con marcatori riflettenti, e il video biplano fluoroscopia 17, 18, 19. Tuttavia, queste tecniche richiedono un apparato sperimentale restrittiva, sono generalmente costosi, e sono stati utilizzati principalmente per la ex vivo o acuto nelle impostazioni vivo. Pelle ha il vantaggio di essere una struttura sottile. Anche se costituito da diversi strati, il derma è in gran parte responsabile delle proprietà meccaniche del tessuto e quindi la deformazione superficiale è di primaria importanza 20; ragionevoli ipotesi cinematiche possono essere fatte riguardo il fuori piano di deformazione 21, 22. Inoltre, la pelle è già esposto all'ambiente esterno, rendendo possibile l'uso di strumenti di imaging convenzionali per catturare sua geometria. Here proponiamo l'uso di MVS come approccio conveniente e flessibile per monitorare in vivo deformazioni della pelle per diverse settimane senza interferire majorly con un protocollo espansione tissutale. MVS è una tecnica che estrae rappresentazioni 3D di oggetti o scene da una raccolta di immagini 2D con la fotocamera sconosciuta angoli 23. Solo negli ultimi tre anni, diversi codici commerciali sono apparsi (vedi elenco dei materiali per gli esempi). L'alta precisione della ricostruzione modello con MVS, con errori a partire da 2% 24, rende questo metodo adatto per la caratterizzazione cinematica della pelle in vivo per lunghi periodi di tempo.
Per ottenere i corrispondenti mappe di deformazione della pelle durante l'espansione dei tessuti, punti tra due configurazioni geometriche sono abbinati. Convenzionalmente, i ricercatori in biomeccanica computazionale hanno utilizzato maglie elementi finiti e analisi inversa per recuperare la mappa di deformazione25, 26. L'approccio IGA impiegato qui utilizza funzioni base spline che offrono diversi vantaggi per l'analisi di sottili membrane 27, 28. Vale a dire, la disponibilità dei polinomi alti gradi facilita rappresentazioni delle forme geometriche regolari anche con maglie molto grossolane 29, 30. Inoltre, è possibile montare la stessa parametrizzazione sottostante a tutti i patch di superficie, che aggira la necessità di un problema inverso per tenere conto di discretizzazione non corrispondenti.
Il metodo descritto qui apre nuove strade per studiare la meccanica della pelle nei rilevante nelle regolazioni vivo per lunghi periodi di tempo. Inoltre, siamo fiduciosi che la nostra metodologia è un passo che permette verso l'obiettivo finale di sviluppare strumenti di calcolo per la pianificazione del trattamento personalizzato in ambito clinico. </ P>
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Protocol
Questo protocollo comporta esperimenti su animali. Il protocollo è stato approvato dalla IRB di Ann e Ospedale Robert H. Lurie dei bambini di Chicago Centro di Ricerca Animal Care and Use Committee di garantire un trattamento umano degli animali. I risultati per due studi di espansione che utilizzano questo protocollo sono stati pubblicati altrove 16, 31.
L'esecuzione di questo protocollo richiede un team con competenze complementari. La prima parte del protocollo descrive la procedura chirurgica sul modello animale, che richiedono personale con la formazione medica appropriata. La successiva analisi, in particolare le sezioni 4 e 5, coinvolgono abilità di programmazione informatica di base in C ++ e Python, e l'uso di un guscio linea di comando.
1. Procedura chirurgica per Expander Placement
NOTA: Personale coinvolto nell'operazione devono essere rimosso e toga in modo sterile. Sterile asciugamani e teli vengono applicati in tutto il campo chirurgico per mantenere la sterilità. Tutti gli strumenti, suture, e espansori tissutali sono ricevuti in confezione sterile e curati solo da personale sterili. La sterilità del sito operatorio non deve essere violata fino a quando la procedura è completa.
- Ambientarsi un mese-vecchio maschio mini maiali Yucatan a custodia standard per una settimana, e mangimi ad libitum.
- Il giorno della chirurgia, anestetizzare l'animale con ketamina / acepromazine per induzione a (4 - 6 mg / kg), quindi isoflurano per la manutenzione. Valutare profondità dell'anestesia monitorando il riflesso palpebrale. Inoltre, monitorare i segni vitali (frequenza cardiaca, temperatura corporea, frequenza respiratoria, e / o di risposta a pizzicare da pinze dei tessuti). Applicare una pomata oftalmica per gli occhi per la protezione contro le abrasioni corneali.
- Somministrare antibiotici pre-procedurali e pulire la pelle dorsale con sapone chirurgico clorexidina-based. Trasferimento quattro 10 x 10 cm 2 griglie, due su ciascun lato dellaanimale, con 1 cm di linea marcature per la pelle di maiale con mezzo di trasferimento del tatuaggio. Le griglie corrispondono ai seguenti quattro regioni: rostrali sinistra, destra rostrale, caudale sinistra e destra caudale. Utilizzare un modello con un riferimento linea mediana per assicurare il posizionamento simmetrico dei modelli di griglia.
- Creare le griglie su carta tracciando la griglia delinea pesantemente con una penna a sfera. Lavare la zona in cui l'animale la griglia deve essere disposto con alcool isopropilico.
- Applicare la griglia (lato penna-ink verso il basso) direttamente sulla pelle. L'alcol serve a sanguisuga parte dell'inchiostro fuori della carta, trasferendo la griglia alla pelle dell'animale.
- Iniettare anestetico locale (1% lidocaina con 1: 100.000 epinefrina) per via sottocutanea al sito di ciascuna incisione previsto.
- Effettuare un'incisione su entrambi i lati dell'animale nel punto medio tra le due griglie.
NOTA: Le incisioni sono posizionati sul lato destro e sinistro dell'animale tra le 2 griglie suquel lato. C'è una sinistra lati incisione e un'incisione lato destro - Utilizzare un emostatico per sviluppare un tunnel sottocutaneo sotto la griglia di interesse. Dopo lo sviluppo di un tunnel, inserire l'espansore sotto la griglia.
NOTA: tunnel sono vincolate a una griglia che avrà un espansore tissutale. - Posizionare la porta per espansore gonfiaggio remoto attraverso un tunnel sottocutaneo sviluppato in modo simile lungo la linea mediana dorsale dell'animale. Riparare le ferite di sutura.
- Postoperatorio, trattare l'animale con antibiotici profilattici (Ceftiofur 5 mg / kg IM volta) e analgesici (buprenorfina 0.05 - 0.1 mg / kg) tramite iniezione intramuscolare ogni 12 ore per 4 dosi, con ulteriori dosi disponibili per prove di sofferenza animale.
- Osservare gli animali continuamente per 2 ore dopo l'intervento, compresa la misurazione di routine dei parametri vitali fino a quando non hanno ripreso la deambulazione e sono in grado di mantenere normotermia. Casa l'animale in una gabbia separata e monitor fino a quando it è in grado di camminare autonomamente sulle 4 gambe prima di trasferirlo al suo normale zona abitativa e lasciandolo incustodito.
- In seguito al periodo immediatamente recupero post anestesia, controllare gli animali ogni giorno per valutare la guarigione delle ferite. Rimuovere i punti di sutura 14 giorni dopo l'intervento. Queste incisioni non richiedono medicazioni. Lasciare le incisioni di guarire per 3 - 4 settimane prima di iniziare l'espansione
2. L'inflazione Protocol
NOTA: I tempi di inflazioni e quantità di soluzione utilizzati in ogni espansore dipende dalla domanda specifica fase di studio. Per caratterizzare l'effetto di diverse geometrie di espansione, un opportuno protocollo è di eseguire cinque passaggi di inflazione a 0, 2, 7, 10, e 15 giorni per raggiungere rispettivamente riempimento volumi di 50, 75, 105, 165, e 225 cc.
- Prima di ogni fase di gonfiaggio, sedare la ketamina animale somministrazione a (4 - 6 mg / kg) e dexmedetomidina a 20 - 80 ug / kg.
NOTA: La dexmedetomidina è unn agonisti alfa-adrenergici che può essere invertito con atipamezolo (1: 1 volume: volume) per facilitare il recupero più veloce; tuttavia, questo livello di sedazione può non essere sufficiente per l'animale a tollerare espansione senza rischio di danni ai animale o gestori. Se questo è il caso, amministrare anestesia generale fornendo isoflurano tramite ventilazione maschera seguito all'induzione ketamina / acepromazine. - Fissare due misure di nastro di plastica flessibili per la pelle dell'animale con del nastro chirurgico. Mettere le misure di nastro tra le griglie sui lati sinistro e destro.
- Posto l'animale da un lato e l'acquisizione di 30 fotografie della scena da altrettante diverse angolazioni possibili.
NOTA: L'obiettivo è quello di catturare la geometria delle due griglie visibili quando l'animale è adagiata su un lato.- In primo luogo, posizionare la telecamera sopra l'animale e pendente verso il lato caudale, per catturare un colpo in cui le griglie tatuate sono completamente visibili e riempire la cornice.
- Move in un modello circolare intorno l'animale in un arco dalla caudale alla direzione rostrale, prendendo fotografie lungo il percorso, assicurando che, per ogni fotografia, le griglie tatuate visibili appaiono interamente nel telaio.
- Allo stesso tempo, cercare di massimizzare lo spazio che le griglie occupano nel telaio. Un colpo ideale sarebbe acquisire la parte posteriore dell'animale con le griglie tatuati e solo piccole regioni di sfondo.
- Successivamente, posizionare la telecamera verso il lato ventrale di catturare un angolo di tiro circa parallelo al terreno e prendere fotografie in un arco dalla ventrale alla regione dorsale.
NOTA: La quantità di fotografie non è un valore fisso. Per una buona ricostruzione, ogni punto della griglia tatuato deve essere in almeno 3 fotografie; 30 fotografie in totale è una quantità sufficiente per la ricostruzione della geometria di successo.
- Posto l'animale sul lato opposto e prendere 30 fotografie dei duerestanti griglie seguendo le stesse procedure descritte in precedenza.
- Eseguire la fase di gonfiaggio dalla ricerca della porta di riempimento remoto ed iniettare la quantità di soluzione salina richiesto corrispondente al protocollo espansione di interesse. Utilizzare sterile allo 0,9% soluzione salina iniettabile.
- Individuare le porte e prep sulla pelle dell'animale con cotone imbevuto di alcol isopropilico. Accedere alla porta con uno sterile calibro 25 ago a farfalla attaccato ad una siringa riempita con soluzione salina sterile iniettabile.
NOTA: Come descritto sopra, le porte sono tunnel sottocutanea ad una posizione sul dorso linea mediana anteriore durante il posizionamento espansore. - Iniettare la quantità desiderata di soluzione salina. Fare riferimento alla nota all'inizio di questa sezione per i volumi di gonfiaggio iniettati in ogni fase del processo di espansione.
- Individuare le porte e prep sulla pelle dell'animale con cotone imbevuto di alcol isopropilico. Accedere alla porta con uno sterile calibro 25 ago a farfalla attaccato ad una siringa riempita con soluzione salina sterile iniettabile.
- Ripetere la procedura di acquisizione foto dopo l'inflazione.
- Una volta che il protocollo di inflazione è completo, l'eutanasia degli animali.
- amministrare generaleanestesia fornendo isoflurano tramite ventilazione maschera seguito all'induzione ketamina / acepromazine. Valutare profondità dell'anestesia monitorando il riflesso palpebrale. Inoltre, monitorare i segni vitali (frequenza cardiaca, temperatura corporea, frequenza respiratoria, e / o di risposta a pizzicare con una pinza di tessuto).
- Eutanasia dell'animale da overdose endovenosa di pentobarbital 90 - 100 mg / kg. In caso di sovradosaggio pentobarbital per l'eutanasia, conferma la morte per l'assenza di battito cardiaco rilevabili utilizzando un pulsossimetro e palpazione del polso, così come l'assenza di respirazione spontanea.
3. Multi-view Stereo ricostruzione
- Utilizzare il software disponibile in commercio per caricare i file di immagine e ricostruire i modelli geometrici.
- Avviare il software MVS sul browser e accedere.
- Selezionare Photo al 3D nell'angolo in alto a sinistra.
- Fare clic aggiungere foto, individuare il percorso della imetà e selezionare manualmente le fotografie 30 corrispondenti ad un unico modello.
- Assegnare un nome al modello e fare clic creare
- Attendere che il modello da creare. Questo può richiedere diversi minuti. Clicca cruscotto a destra per tornare alla pagina di destinazione originale del software.
NOTA: Il cruscotto mostra immagini rappresentative dei modelli geometrici che sono stati creati dall'utente. - Posizionare il cursore sul modello che è stato appena creato. Posizionare il cursore nell'angolo in basso a destra dell'immagine modello. Fare clic su Download e selezionare obj.
4. Spline Fit Surface
- Utilizzare software open source per elaborare i modelli geometrici.
- Clicca File-> Import-> obj per importare il file generato dal software MVS. Sul fondo della vista 3D cliccare su Viewport Shading e select Trama. Cercare una scheda a destra della visualizzazione 3D con i sottomenu: trasformare, Grease matita, Vista, matita 3D, ecc Clicca su ombreggiatura e selezionare shadeless.
- Fare clic destro sulla geometria per selezionarla. Sul fondo della vista 3D selezionare Edit Mode per visualizzare la maglia triangolare.
- Selezionare Uno ad uno i nodi da 1 cm marcature della metro a nastro.
- Per selezionare un punto, fare clic destro su di esso, ed evidenziare il punto. Coordinate per il punto appaiono sulla scheda sul lato destro della visualizzazione 3D. Selezionare e copiare le coordinate del punto selezionato in un file di testo.
- Ripetere questa operazione per tutti i punti sui 1 cm marcature del metro.
- Fate questo per entrambe le misure di nastro. Esempi di coordinare i file di testo sono fornisconoD: tape1.txt, tape2.txt.
NOTA: Se non ci sono nodi della rete sul punto di interesse, suddividere la mesh fino a quando c'è un nodo sul punto di interesse. Per suddividere la maglia selezionare i tre vertici di un triangolo premendo il tasto Maiusc e clic destro sui vertici. Quindi fare clic sul pulsante Suddividi sulla scheda che appare sul lato sinistro della vista 3D. Questa operazione aggiunge altri tre nodi all'interno del triangolo selezionato.
- Selezionare i 11 x 11 punti della griglia e salvare le coordinate dei punti 121 ad un file di testo nella configurazione di figura 1.
- Analogamente a quanto fatto per le misure di nastro, per selezionare un punto della griglia, fare clic destro su di esso, il punto verrà evidenziato. Coordinate per il punto apparirà sulla scheda sul lato destro della visualizzazione 3D. Selezionare e copiare le coordinate del punto selezionato in un file di testo
NOTA: La numerazione dei punti della griglia è alwcaudale ays di rostrale e dalla linea mediana dorsale verso la regione ventrale. Questo ordinamento garantisce che lo spazio dei parametri è coerente per ogni due patch. A titolo di esempio, viene fornito il gridReference.txt file contenente le coordinate di 121 punti di un cerotto cutaneo.
- Analogamente a quanto fatto per le misure di nastro, per selezionare un punto della griglia, fare clic destro su di esso, il punto verrà evidenziato. Coordinate per il punto apparirà sulla scheda sul lato destro della visualizzazione 3D. Selezionare e copiare le coordinate del punto selezionato in un file di testo
- Scaricare, compilare e installare C ++ librerie spline. Il file splineLibraryInstallation.txt contiene il link al codice sorgente delle librerie spline e le istruzioni per l'installazione.
- Compilare il codice sorgente per generare il generateCurve.cpp generateCurve eseguibile
NOTA: Il programma di generateCurve ha solo bisogno di essere compilato una sola volta. Per compilare il codice sorgente in C ++ e generare un eseguibile seguire le istruzioni nella parte superiore del file di codice sorgente generateCurve.cpp. - Utilizzare il generateCurve programma per soddisfare spline alle misure e ai punti della griglia. Per eseguire il file eseguibile in un Bshell ash, tipo
directory $ ./generateCurve- Al momento l'esecuzione del programma, chiederà all'utente di digitare il percorso del file contenente le coordinate della metro a nastro. Poi il programma vi chiederà un nome per il file di output. Aggiungere il .G2 terminazione al nome del file.
NOTA: La terminazione .G2 è sinonimo di strumenti go, ed è associata alle librerie spline. Due esempi di file spline corrispondenti alle misure nastro sono disponibili con questo protocollo (tape1.g2, tape2.g2).
- Al momento l'esecuzione del programma, chiederà all'utente di digitare il percorso del file contenente le coordinate della metro a nastro. Poi il programma vi chiederà un nome per il file di output. Aggiungere il .G2 terminazione al nome del file.
- Utilizzare lo scalePoints.py script Python per scalare i punti della griglia. Eseguire il programma in una shell Bash con tre argomenti: il nome di file dei punti della griglia ei nomi di file delle scanalature corrispondenti alle misure di nastro
directory $ python scalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
NOTA: Lo script scalePoints.py importa gli script B_spline.py e NURBS_Curv e.py, quindi, tutti i tre script devono essere nella stessa cartella. - Compilare il codice sorgente per generare il generateSurface.cpp generateSurface eseguibile.
NOTA: Questo passaggio deve solo essere fatto una volta. Istruzioni più dettagliate sono disponibili all'inizio del file di codice sorgente generateSurface.cpp. - Utilizzare il generateSurface programma per soddisfare una superficie spline ai punti della griglia. Eseguire il generateSurface eseguibile sul shell Bash
directory $ ./generateSurface- L'esecuzione del programma in un guscio chiederà il nome del file che contiene i punti scalati. Poi si chiederà il nome del file di output. Aggiungere il .G2 terminazione al nome del file di output.
NOTA: Il .G2 terminazione è suggerita dalle librerie spline e si distingue per gli strumenti di go. I file gridReference.g2 e gridDeformed.g2 sono forniti come esempi.
- L'esecuzione del programma in un guscio chiederà il nome del file che contiene i punti scalati. Poi si chiederà il nome del file di output. Aggiungere il .G2 terminazione al nome del file di output.
- Avviare Python nel prompt shell Bash
directory $ python
NOTA: Python inizializza l'interprete, che è un'interfaccia simile al guscio che mostrerà un nuovo ambiente di riga di comando >>> - Importare lo script expansionIGA.py che contiene una funzione chiamata evaluateMembraneIGA
>>> da expansionIGA evaluateMembraneIGA importazione - Chiamare la funzione evaluateMembraneIGA per calcolare le mappe di deformazione.
NOTA: Questa funzione prende come argomenti:
Nome file della superficie di riferimento
Nome file della superficie deformata
Risoluzione della valutazione (quanti punti sono valutati in ciascuna direzione)
Valore minimo del tratto superficie utilizzata per scalare la trama di contorno
valore massimo di stirata superficie utilizzata per scalare la trama di contorno
valore minimo di stirata nella direzione longitudinale noiEd in scala i contorni
valore massimo di stirata nella direzione longitudinale usato per scalare i contorni
valore minimo di stirata nella direzione trasversale usato per scalare i contorni
valore massimo di stirata nella direzione trasversale usato per scalare i contorni
Spaziatura tra le linee della griglia nella trama di contorno
il nome del file di output- Ad esempio, eseguire
>>> evaluateMembraneIGA ( 'gridReference.g2', 'gridDeformed.g2', 250, 3, 0,5, 2, 0,5, 2, 0,5, 25, 'deformazione')
NOTA: Questo comando generare e salvare sei file di output. Si noti che l'ultimo argomento nell'esempio precedente è la deformazione uscita nome file, quindi i file che verranno generati sono:
trama di contorno del tratto zona: deformation_theta.png
deformation_theta.txt: tabella di valori corrispondenti alla trama di contorno del tratto zona
trama contorno della alon tratto: deformation_G1.pngg all'asse longitudinale dell'animale
deformation_G1.txt: tabella di valori corrispondenti alla trama di contorno di tratti lungo l'asse longitudinale dell'animale
trama di contorno del componente stirata nella asse trasversale dell'animale: deformation_G2.png
deformation_G2.txt: tabella di valori corrispondenti alla trama di contorno del componente del tratto lungo l'asse radiale dell'animale
NOTA: Non confondere la risoluzione del file spline, .G2, con il G2 vettoriale. I file sono spline fine .G2 seguendo le convenzioni di denominazione della biblioteca spline. D'altra parte, l'vettori G1 e G2 indicano le direzioni longitudinale e trasversale rispetto all'animale.
NOTA: I file di contorno sono generati con caratteristiche distinte ai quattro angoli per facilitare l'interpretazione dello spazio dei parametri: Nero pixel: più caudale, punto più dorsale; angolo pixel rosso: most rostrale, punto più dorsale; Green Corner pixel: più caudale, punto più ventrale; angolo pixel blu: la maggior parte rostrale, punto più ventrale.
- Ad esempio, eseguire
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Representative Results
Questa metodologia è stata utilizzata con successo per studiare la deformazione indotta da differenti geometrie espansione: bottone, sfera e espansori mezzaluna 31, 32. I risultati corrispondenti alla sfera e mezzaluna espansori sono discussi successivo. La figura 2 illustra le tre fasi di ricostruzione del modello MVS. Il punto di partenza è una raccolta di fotografie di una scena statica. L'animale con le griglie tatuati e le misure di nastro giaceva immobile come le fotografie sono state scattate da diverse angolazioni. Le caratteristiche algoritmo MVS abbinati tra le fotografie di estrarre le coordinate 3D. Come risultato, un modello geometrico costituito da una maglia triangolare con struttura è stata generata.
Il protocollo qui descritto può essere usato per studiare diversi aspetti del processo di espansione tissutale. le variazioninei ceppi regionali indotte da sfera e mezzaluna espansori è un aspetto importante del processo di espansione in quanto porta a variazioni regionali nella quantità di pelle cresciuta. Entrambi i dispositivi sono stati riempiti allo stesso volume in ogni punto temporale. Cinque passi inflazione sono state eseguite a 0, 2, 7, 10, e 15 giorni per generare volumi di riempimento 50, 75, 105, 165, e 225 cc. La figura 3 mostra le fotografie delle griglie pelle espanse al termine di ogni fase di gonfiaggio. Espansori allungato la pelle e la deformazione era evidente dalla distorsione della griglia nel tempo.
Per ogni configurazione della griglia di una superficie spline è stato generato come descritto nella sezione Protocollo. Deformazioni stati calcolati scegliendo un riferimento ed una griglia deformata come illustrato in figura 1. I risultati di due diversi tipi di analisi sono discussi qui. Per studiare la deformazione cronica, il maiale al giorno 0 è stato selezionato come tlui Riferimento e rispetto a tutti gli altri punti temporali. Confrontando la fine di ogni fase di gonfiaggio ai risultati della configurazione di riferimento nelle trame profilo rappresentato nella figura 4. La metodologia qui presentata estrae tre misure di deformazione. La variazione area è denotato θ, il tratto nella direzione longitudinale è definito λ G1, G2 e λ è il tratto in direzione trasversale, come illustrato in Figura 1. La progressione dei cambiamenti zona e si estende nelle due direzioni ortogonali per sfera e mezzaluna espansori sono rappresentati in Figura 4. superfici spline sono generalmente lisce e quindi le corrispondenti curve di livello erano lisce. Ciò nonostante, la ruvidezza della maglia è testimoniato dal contorni che ha mostrato le caratteristiche piatte. Una griglia più fine aumenterebbe la fedeltà delle mappe di deformazione. Tuttavia, le differenze tra le diverse geometrie di espansione è stato immediatamente Apparent e quantificabile. Anche se entrambe espansori sono stati riempiti allo stesso volume, l'espansore sferica indotta una deformazione maggiore. La variazione spaziale dei grafici di contorno rivelato che la pelle è stata allungata più al centro dell'espansore rispetto alla periferia della griglia. I risultati sono riassunti nella Tabella 1.
Una seconda analisi consisteva determinare la deformazione acuta ad ogni fase di gonfiaggio. In questo caso, la configurazione di riferimento era la griglia appena prima dell'espansione, e la griglia deformato era che subito dopo la fase di gonfiaggio. Le deformazioni indotte ad ogni fase di gonfiaggio erano notevolmente simili in media tra i diversi punti temporali. La sintesi è contenuta nella tabella 2. In media, la deformazione è vicino a 1 (dove 1 sarebbe l'assenza di deformazione). Ispezione delle mappe di contorno mostrato nella Figura 5 mostra evidenti variazioni spaziali. Anche se non c'era quasi nessuna deformazione in media, alcune zone della griglia sono stati allungati mentre altri sono stati ridotti con i rispetto al riferimento. Simile all'analisi della deformazione cronica, le regioni centrali sono quelli che sono allungati più.
In entrambi i casi acuti e cronici, tratti longitudinali e trasversali hanno mostrato una tendenza chiara indicativa di anisotropia. Pelle, come la maggior parte dei tessuti collageni, mostra un orientamento delle fibre preferito contribuendo ad un anisotropo risposta meccanica 25. Nel caso della pelle nella parte posteriore di un maiale, le fibre sono pensati per essere allineati trasversalmente 33. I nostri esperimenti hanno mostrato che durante l'espansione della pelle, i tratti nelle direzioni longitudinali sono sempre superiori a quelle lungo la direzione trasversale. Ciò era vero sia per la sfera e gli espansori mezzaluna, a tutti i tempi, e per il Conto deformazione acuta e cronicaUrs. Questo risultato supporta l'ipotesi che anisotropia pelle può influenzare le deformazioni indotte durante una procedura di espansione tissutale.
Figura 1: griglia configurazioni e dei parametri dello spazio. Le griglie sono tatuati sul dorso degli animali e fotografati con nastro misure in atto al fine di scalare i modelli geometrici (in alto). Deformazione tra un riferimento ed una configurazione deformata è caratterizzata da tre variabili: zona di cambio θ, tratto longitudinale λ G1, G2 e trasversale λ tratto (in alto). La griglia è costantemente parametrizzato numerando i punti sempre da caudalmente rostrale e da dorsale a ventrale direzioni (in basso a sinistra). L'output dell'analisi è una trama di contorno nello spazio dei parametri. I contorni sono contrassegnati agli angoli con un pixel che takes il colore nero, rosso, verde e blu, per facilitare l'identificazione della caudale, rostrale, dorsale e ventrale lati (in basso a destra). Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Multi-view Stereo ricostruzione di un processo di espansione. MVS è un algoritmo di computer vision che prende come fotografie di input provenienti da diverse angolazioni con posizioni della telecamera sconosciuti (a sinistra). L'algoritmo corrisponde caratteristiche attraverso le immagini per trovare le coordinate 3D (al centro). L'uscita dell'algoritmo è una maglia triangolare con sovrapposto trama (a destra). (Figura adattato con il permesso di 31) Si prega di cliccarequi per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Espansione della sfera e Crescent espansori. Sfera (riga superiore) e mezzaluna (fila inferiore) espansori sono stati posti sotto la pelle tatuata sul retro di un maiale e gonfiati nei giorni 0, 2, 7, 10, e 15 giorni per generare riempimento volumi di 50, 75, 105, 165, e 225 cc. (Figura adattato con il permesso di 31). Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Deformazione cronica indotta da Sphere e Crescent espansori. Le griglie tatuati sono state convertite in spline superfici per l'analisi (righe 1 e 2).Prendendo il riferimento sia alla rete, al giorno 0, sono state calcolate tre misure di deformazione. cambiamento zona mostrato valori progressivamente più alti nel tempo, con una maggiore deformazione nella zona centro dell'espansore, e deformazione maggiore nella sfera rispetto alla mezzaluna (righe 3 e 4). tratti longitudinali (righe 5 e 6) somigliavano tratti zona, mentre tratti trasversali (righe 7 e 8) bande mostrato di deformazione e una minore flessibilità rispetto alla direzione longitudinale. (Figura adattato con il permesso di 31) prego qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Deformazione acuta indotta da Sphere e Crescent espansori. Prendendo come riferimento la configurazione appena prima di una fase di gonfiaggio, e comedeformato la configurazione immediatamente dopo l'iniezione di soluzione in un espansore, deformazioni acute sono stati calcolati. mappe di deformazione sono stati liscia, tuttavia, alcuni effetti di bordo sono evidenti e la ruvidezza della discretizzazione è riflesso nei modelli colonie puntiformi di deformazione. cambiamenti dell'area (righe 1 e 2) ha mostrato variazioni regionali, con maggiore stirata nella regione corrispondente alla espansore. Allunga erano simili tra i diversi punti di tempo. La stessa tendenza potrebbe visibile a tratti longitudinali (righe 3 e 4). tratti trasversali (righe 5 e 6) mostrano le distribuzioni più uniformi e valori inferiori rispetto al caso longitudinale. (Figura adattato con il permesso di 31) prego qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Tempo [giorni] | Volume [cc] | Area cambiamento θ | Longitudinale tratto λ G1 | Trasversale tratto λ G2 | |||||||
| max | min | avg | max | min | avg | max | min | avg | |||
| 0 | sfera | 50 | 1.44 | 0.71 | 0.98 | 1.37 | 0.76 | 1 | 1.17 | 0.84 | 0.97 |
| 0 | mezzaluna | 50 | 1,46 | 0.76 | 0.98 | 0,79 | 1 | 1.17 | 0.84 | 0.98 | |
| 2 | sfera | 75 | 1.74 | 0.68 | 1.08 | 1.51 | 0.73 | 1.08 | 1.19 | 0.75 | 1 |
| 2 | mezzaluna | 75 | 1.43 | 0.66 | 1 | 1.31 | 0.65 | 1 | 1.26 | 0,77 | 1 |
| 7 | sfera | 105 | 0.01 | 0.69 | 1.21 | 1.7 | 0.75 | 1.13 | 1.32 | 0.84 | 1.07 |
| 7 | mezzaluna | 105 | 1,66 | 0.83 | 1.15 | 1.4 | 0.87 | 1.11 | 1.33 | 0.86 | 1.03 |
| 10 | sfera | 165 | 2.26 | 0.74 | 1.36 | 1.76 | 0,77 | 1.21 | 1.39 | 0.83 | 1.11 |
| 10 | mezzaluna | 165 | 1.86 | 0.87 | 1.26 | 1.58 | 0.8 | 1.15 | 1.45 | 0.83 | 1.09 |
| 15 | sfera | 225 | 2.77 | 0,72 | 1.52 | 2.01 | 0.69 | 1.29 | 1.47 | 0.89 | 1.18 |
| 15 | mezzaluna | 225 | 1.87 | 0.83 | 1.32 | 1,46 | 0.84 | 1.17 | 1.44 | 0.92 | 1.14 |
| 21 | sfera | 225 | 3.09 | 0.93 | 1.7 | 2.13 | 0.9 | 1.33 | 1.62 | 0.98 | 1.27 |
| 21 | mezzaluna | 225 | 2.25 | 0.87 | 1.49 | 1,66 | 0.85 | 1.25 | 1.67 | 0.96 | 1.2 |
Tabella 1: Riepilogo delle Deformazione cronica. I ceppi sono stati calcolati prendendo la configurazione iniziale come riferimento e confrontando le patch al termine di ciascuna fase di gonfiaggio rispetto ad esso. La media della deformazione attribuito alla sfera espansore raggiunto 1,70 al giorno 21, mentre l'espansore mezzaluna deformata 1.49 nella zona dalla fine dell'espansione. C'era significativa variazione spaziale e valori massimo e minimo variati rispetto alla media. I tratti longitudinali raggiunto 1,33 e 1,25 per la sfera e mezzaluna espansori rispettivamente, mentre tratti trasversali erano più bassi, con valori di 1,27 e 1,20. (Tabella adattato con il permesso
ontent" fo: together.within-page keep-= '1'> Tabella 2:.. Sintesi di acuta deformazione ceppi sono stati calcolati prendendo la configurazione prima dell'espansione come riferimento e la configurazione immediatamente dopo la fase di gonfiaggio della griglia deformata On medi, entrambi gli espansori sfera e mezzaluna hanno registrato tendenze simili, con valori prossimi a 1 che indicherebbe nessuna deformazione. Tuttavia, a causa delle variazioni spaziali, abbiamo misurato massimi cambiamenti dell'area erano alte come 1,60 per la sfera e 1,50 per la mezzaluna. il si estende nelle direzioni longitudinale e trasversale sono anisotropo, con valori massimi di tratti longitudinali quasi sempre superiori ai tratti trasversali. (Tabella adattato con il permesso di 31) Tempo [giorni] Expander Volume [cc] Area cambiamento θ Longitudinale tratto λ G1 Trasversale tratto λ G2 max min avg max min avg max min avg 0 sfera 50 1.32 0,72 0.98 1.44 0.75 1 1.23 0.83 0.97 0 mezzaluna 50 1.5 0.71 0.98 1.3 0.8 1 1.21 0.84 0.98 2 sfera 75 1.36 0.69 0.98 1.26 0.66 1 1.2 0.8 0.98 2 mezzaluna 75 1.31 0.61 0.98 1.24 0.8 1.01 1.34 0.68 0.97 7 sfera 105 1.4 0,79 0.98 1.3 0.57 1 1.2 0,77 0.98 7 mezzaluna 105 1.37 0.59 1 1.6 < / Td> 0.83 1.02 1.16 0,77 0.98 10 sfera 165 1.6 0.73 1.01 1.35 0.6 1.02 1.25 0.75 0.99 10 mezzaluna 165 1.48 0.58 1.01 1.42 0.75 1.02 1.22 0,77 1 15 sfera 225 1.27 0.73 1.01 1.35 0.55 1.02 1.22 0,79 0.98 15 mezzaluna 225 1.34 0.54 1.02 1.37 0.8 1.02 1.32 0.81 1
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Discussion
Qui abbiamo presentato un protocollo per caratterizzare le deformazioni indotte durante una procedura di espansione del tessuto in un modello suino utilizzando multi-vista stereo (MVS) e cinematica isogeometrica (cinematica IgA). Durante l'espansione dei tessuti, pelle subisce grandi deformazioni passando da una superficie liscia e relativamente piana ad una forma 3D a cupola. Pelle, come altre membrane biologiche 34, risponde ad allungare producendo nuovo materiale, aumentando di zona che può essere poi utilizzato per scopi ricostruttivi 35. Pertanto, la determinazione esatta del tratto prodotta da un espansore è fondamentale per comprendere i meccanismi che regolano l'adattamento della pelle. Pianificazione di un procedimento di espansione è difficile perché espansori tissutali sono disponibili in diverse dimensioni e forme, la distribuzione tratto non è uniforme sull'intera area estesa e dipende dalla posizione e tasso di inflazione 11,ref "> 36. Avere un protocollo di stimare con precisione la deformazione espansione indotta e capace di risolvere grandi deformazioni, forme 3D, e varianti regionali, apre nuove strade per studiare la regolazione meccanica della crescita della pelle, e può portare a strumenti quantitativi pianificazione preoperatoria . verso questo obiettivo, abbiamo sviluppato un metodo non invasivo, economico e flessibile per misurare la deformazione in un modello suino di espansione pelle 32.
fasi critiche
Modelli animali per l'espansione del tessuto sono stati ben caratterizzati per più di due decenni 37. pelle suina mostra proprietà paragonabili a tegumento umano. Inoltre, l'espansione della pelle nei suini segue una procedura simile a quella che sarebbe stato fatto negli esseri umani 38. La procedura di espansione del tessuto è la pietra angolare per il successo di questo protocollo. chirurghi esperti, esperti di espansione del tessuto, eseguito il technique nel modello animale presentato qui.
Pelle è convenientemente esposto all'ambiente esterno ed è una membrana sottile, quindi la sua deformazione può essere caratterizzato da punti di monitoraggio sulla sua superficie 17. MVS offre una tecnica flessibile e conveniente per studiare deformazioni pelle 3D in vivo per lunghi periodi di tempo. Questo algoritmo prende in input una serie di fotografie da una scena statica e utilizza funzionalità di corrispondenza attraverso le fotografie per estrarre le coordinate 3D. ricostruzione MVS e la successiva analisi cinematica dipende criticamente sui gradini acquisizione foto di questo protocollo.
Modifiche e guasti
Durante l'espansione dei tessuti, il dispositivo può migrare dalla rete a causa di movimenti degli animali e allentamento della tasca in cui l'espansore è stato originariamente collocato. Se l'area estesa sposta al di fuori della griglia, l'espansore deve essere sgonfiato e rimosso. Questo problema è stato rilevato utilizzando il protocollo in uno degli otto griglie 31, 32. Espansioni possono anche perdite se sono difettosi o forato durante il protocollo di gonfiaggio. Ciò compromette anche la validità della sperimentazione e la sicurezza dell'animale, quindi l'espansione deve essere rimosso. Questo problema è stato rilevato usando questo protocollo in uno degli otto griglie 31, 32.
MVS ricostruzione può essere difficile per alcuni set di fotografie a causa di effetti di luce, mancanza di concentrazione, e il rumore di fondo 23. Anche se gli strumenti commerciali per MVS sono potenti, se i risultati non sono sufficientemente accurati in un primo momento, le seguenti operazioni di risoluzione dei problemi hanno sempre risolto il problema in sulla nostra esperienza: rimuovere manualmente lo sfondo nelle fotografie; selezionare un sottoinsieme di fotografie con messa a fuoco nitida e scartare i sfocatamaghi; selezionare manualmente i punti corrispondenti in tutta fotografie nell'interfaccia software commerciale.
LIMITI DELLA TECNICA
Come discusso sopra, tegumento suina è simile a umano 38, tuttavia, ci sono ancora differenze. Pertanto, un modello suino non dovrebbe essere completamente predittivo di protocolli di espansione del tessuto umano 37. Un'altra limitazione del protocollo è la mancanza di strumenti commerciali o software user-friendly per analizzare i modelli geometrici. Attualmente, una volta che la geometria viene generato attraverso MVS, l'analisi viene effettuata con il codice interno che consiste di C ++ e script Python. Mentre da un lato, il metodo proposto è creativa e offre un modo comodo ed economico per studiare i meccanismi del tessuto molle per lunghi periodi di tempo, l'analisi dei dati dipende tecnologie che sono stati popolari solo negli ultimi dieci anni 27. per Circumsfogare questa limitazione, mettiamo a disposizione la nostra implementazione di subroutine spline con questa sottomissione. Un'altra limitazione è la restrizione di una griglia tatuato al fine di monitorare deformazioni croniche. La necessità di una griglia tatuato ostacola la traduzione del protocollo contesti clinici.
Importanza della tecnica in materia d 'esistenti / metodi alternativi
Attualmente, i medici si basano principalmente sulla loro esperienza durante la pianificazione preoperatoria delle procedure di espansione del tessuto, che ha portato ad una grande varietà di protocolli arbitrarie che spesso sono molto differenti 13, 14, 15. Il protocollo qui presentato Indirizzi lacune conoscitive esistenti da quantificare deformazione espansione indotta in un modello animale suino di espansione del tessuto. A conoscenza dell'autore, questo è il primo protocollo per quantificare mappe di deformazione continui sulle zone considerevole di tessuto cutaneo <sup class = "xref"> 31, 32.
Il protocollo è innovativo, non invasivo, conveniente e flessibile; si basa sui recenti sviluppi in algoritmi di visione artificiale, come MVS e analisi numerica, come cinematica IGA. MVS ha avanzato intensamente nell'ultimo decennio, raggiungendo errori di ricostruzione a partire da 2% 24. L'aumento nel software disponibile in commercio come codice open source presenta il grande popolarità di questo metodo 41. MVS è conveniente perché richiede solo una fotocamera digitale e si scattano senza calibrazione della posizione della telecamera. Al contrario, altre tecniche come ricostruzione stereo richiedono hardware aggiuntivo per controllare la posizione della telecamera 17. MVS è flessibile perché può essere eseguita in una varietà di scenari finché fotografie possono essere prese da angolazioni diverse. Questa è una caratteristica che diventa più relevant quando si considera un potenziale applicazione clinica. Al contrario, altre tecniche come il tracciamento del movimento richiedono una configurazione specifica e non possono essere eseguite in una posizione arbitraria 18. Una caratteristica più MVS è la produzione di geometrie 3D. Altre tecniche, come ad esempio la correlazione immagine digitale (DIC), sono preferiti per il movimento 2D inseguimento 39. I risultati presentati qui in mostra la capacità di algoritmi commerciali di ricostruire fedelmente le forme 3D indotte durante l'espansione del tessuto.
Dalle geometrie 3D, deformazioni devono essere calcolati. Questo protocollo si basa sull'utilizzo della cinematica IGA superficie spline. Spline sono utili perché alcuni punti di controllo parametrizzare geometrie lisce con elevata continuità che sono necessari per l'analisi delle membrane sottili 40. Il più grande vantaggio di spline in questa applicazione è la nozione di uno spazio parametrico. Altre tecniche, come ele finitamenti, mancano di un dominio parametro globale. Mentre questo è conveniente per alcuni problemi come la simulazione di macchie irregolari (ad esempio patch con fori), aventi una parametrizzazione esplicito consente la determinazione di tratti tra due configurazioni in modo semplice. Ad esempio, due diverse analisi sono stati mostrati qui: deformazioni acute e croniche. Per calcolare i ceppi nelle griglie con questo protocollo è sufficiente per fornire le scanalature delle due superfici di interesse dal momento che tutte le superfici hanno lo stesso dominio del parametro.
Durante l'espansione dei tessuti, pelle risponde alla deformazione applicata crescendo in superficie, producendo nuova tegumento che può quindi essere impiegata per la chirurgia ricostruttiva. Caratterizzante deformazioni clinicamente rilevanti di pelle per lunghi periodi di tempo può migliorare la nostra comprensione della mechanobiology di quest'organo nonché consentire lo sviluppo di strumenti preoperatorie quantitativi. Il protocollo ha descrittae affronta in modo specifico la necessità di un disegno sperimentale con un potenziale traduzione in ambito clinico.
Le applicazioni future o Indicazioni Dopo aver imparato questa tecnica
Il codice sorgente che viene utilizzato in questo protocollo può essere facilmente adattato ad altre applicazioni e può essere incorporata in altre implementazioni facili. Provvisto di questa carta sono routine per valutare funzioni base spline, parametrizzare campi continui su superfici spline, integrare tali campi continui, e calcolare gradienti di deformazione, membrana e ceppi di flessione. Ci aspettiamo che questo codice sorgente continuerà ad evolvere verso uno strumento che può essere eventualmente utilizzato in applicazioni cliniche reali di espansione del tessuto e consentire altre applicazioni. Un'altra futura area di lavoro è la raffinatezza di questo protocollo da prendere in considerazione le proprietà meccaniche e le sollecitazioni nel tessuto e non solo cinematica.
from una prospettiva clinicamente rilevante, questo protocollo è in grado di quantificare le variazioni regionali di deformazione del tessuto, nonché le differenze tra le diverse forme di stiro e tassi di inflazione 31, 32. Ulteriore lavoro è necessario per continuare a valutare l'effetto di differenti parametri di espansione sulla risposta tissutale. Inoltre, un ulteriore perfezionamento del modello suino con enfasi sui meccanismi biologici di adattamento può contribuire a chiarire i meccanismi fondamentali che regolano adattamento pelle per allungare eccessivamente. L'obiettivo finale è quello di validare il protocollo in un modello suino al fine di tradurre in ambito clinico.
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Disclosures
autori sLa hanno nulla da rivelare.
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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