Summary
Este protocolo utiliza multi-vista estéreo para gerar modelos tridimensionais (3D) para fora de sequências não calibrados de fotografias, tornando-o acessível e ajustável para um ambiente cirúrgico. Mapas de tensão entre os modelos 3D são quantificados com cinemática isogeometric à base da ranhura, que facilitam a representação de superfícies lisas mais malhas grosseiras que partilham a mesma parametrização.
Introduction
A expansão do tecido é uma técnica comum em cirurgia plástica e reconstrutiva que cresce a pele in vivo, para a correcção de grandes defeitos cutâneos 1. Neumann, em 1957, foi o primeiro cirurgião a documentar este procedimento. Ele implantou um balão abaixo da pele de um paciente e inflado gradualmente ao longo de um período de várias semanas para crescer novos tecidos e ressurgir uma orelha 2. Pele, como a maioria dos tecidos biológicos, adapta-se a forças e deformações aplicadas, a fim de alcançar a homeostase mecânica. Quando esticado para além do regime fisiológico, pele cresce 3, 4. Uma das vantagens centrais de expansão do tecido é a produção de pele com vascularização adequada e na mesma orientação de cabelo, as propriedades mecânicas, cor e textura como o tecido circundante 5.
Após sua introdução há seis décadas, expansio pelen tem sido amplamente adoptada por cirurgiões plásticos e reconstrutivas e é actualmente utilizado para corrigir queimaduras, grandes defeitos congénitos, e para reconstrução da mama após mastectomia 6, 7. No entanto, apesar de seu uso generalizado, procedimentos de expansão de pele pode levar a complicações 8. Isto é em parte devido à falta de evidência quantitativa suficiente necessário para entender a mechanobiology fundamental do procedimento e para guiar o cirurgião durante o planejamento pré-operatório 9, 10. Parâmetros-chave nesta técnica são a taxa de enchimento, o volume de enchimento por inflação, a selecção da forma e tamanho do expansor, e o posicionamento do dispositivo 11, 12. planejamento pré-operatório atual se baseia em grande parte na experiência do médico, resultando em uma ampla variedade de protocolos arbitrários que muitas vezes diferem greatly 13, 14, 15.
Para abordar as lacunas de conhecimento actual, apresenta-se um protocolo experimental para quantificar deformação induzida por expansão em um modelo animal porcino de expansão do tecido. O protocolo baseia-se na utilização de múltiplos vista estéreo (MVS) para reconstruir geometrias tridimensionais (3D) de sequências de (2D) imagens bidimensionais com posições da câmara desconhecidos. Empregando estrias, a representação de superfícies lisas conduz ao cálculo dos mapas de deformação correspondentes por meio de um (IGA) Descrição isogeometric. A análise da geometria é baseada no quadro teórico da mecânica do contínuo de membranas tendo uma parametrização explícita 16.
Caracterizar fisiologicamente deformações relevantes de substâncias durante longos períodos de tempo vivendo continua a ser um problema desafiador. estratégias comuns paraimagiologia de tecidos biológicos incluem correlação estereoscópico de imagem digital, sistemas de captura de movimento comerciais com marcadores reflectores, e de vídeo de fluoroscopia biplanar 17, 18, 19. No entanto, estas técnicas requerem uma configuração experimental restritiva, são geralmente caros, e têm sido utilizados principalmente para ex vivo ou aguda em ambientes in vivo. A pele tem a vantagem de ser uma estrutura fina. Mesmo que consiste em várias camadas, a derme é em grande parte responsável pelas propriedades mecânicas do tecido e, assim, a deformação da superfície é de importância primária 20; pressupostos cinemáticas razoáveis podem ser feitas em relação à deformação fora do plano 21, 22. Além disso, a pele já está exposta ao ambiente externo, tornando possível a utilização de ferramentas de imagem convencionais para capturar sua geometria. Here nós propomos o uso de MVS como uma abordagem acessível e flexível para monitorizar in vivo deformações da pele ao longo de várias semanas, sem interferir majoritariamente com um protocolo de expansão do tecido. MVS é uma técnica que extrai representações 3D de objetos ou cenas de uma coleção de imagens 2D com câmera desconhecido ângulos 23. Só nos últimos três anos, vários códigos comerciais têm aparecido (ver lista de materiais para exemplos). A elevada precisão do modelo de reconstrução com MVS, com erros tão baixas quanto 2% 24, faz com que esta abordagem adequada para a caracterização cinemática da pele in vivo durante longos períodos de tempo.
Para obter os correspondentes mapas de deformação da pele durante a expansão do tecido, pontos entre quaisquer duas configurações geométricas são combinados. Convencionalmente, os pesquisadores em biomecânica computacional usaram malhas de elementos finitos e análise inversa para recuperar o mapa deformação25, 26. A abordagem IGA empregada aqui usa funções de base de spline que oferecem várias vantagens para a análise de membranas finas 27, 28. Ou seja, a disponibilidade de polinômios alto grau facilita representações de geometrias suaves, mesmo com malhas muito grossas 29, 30. Além disso, é possível encaixar o mesmo parametrização subjacente a todas as manchas superficiais, que contorna a necessidade de um problema inverso para contabilizar discretizações não correspondentes.
O método descrito aqui abre novos caminhos para estudar a mecânica da pele em relevantes em contextos in vivo durante longos períodos de tempo. Além disso, estamos esperançosos de que nossa metodologia é um passo permitindo que para o objetivo final do desenvolvimento de ferramentas computacionais para o planejamento do tratamento personalizado no ambiente clínico. </ P>
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Protocol
Este protocolo envolve a experimentação animal. O protocolo foi aprovado pelo IRB de Ann e Hospital de Robert H. Lurie Children of Chicago Centro de Pesquisa Animal Care e do Comitê Use a garantir um tratamento humano dos animais. Os resultados para os dois estudos de expansão utilizando este protocolo de ter sido publicado anteriormente 16, 31.
A execução deste protocolo exige uma equipe com competências complementares. A primeira parte do protocolo descreve o procedimento cirúrgico no modelo animal, que requer pessoal com formação médica adequada. A análise posterior, em especial as secções 4 e 5, envolvem habilidades de programação de computador básicas em C ++ e Python, e utilização de um shell de linha de comando.
1. Procedimento cirúrgico para Expander Placement
NOTA: O pessoal envolvido na operação deve ser limpo e vestida de forma estéril. Sterile toalhas e cortinas são aplicados em todo o campo cirúrgico para manter a esterilidade. Todos os instrumentos, suturas, e expansores de tecido são recebidos em embalagem estéril e manuseado apenas por pessoal estéreis. Esterilidade do local da cirurgia não deve ser violada até que o procedimento está completo.
- Aclimatar um mês de idade, mini-porcos Yucatan masculinos à habitação padrão para uma semana, e alimentar ad libitum.
- No dia da cirurgia, anestesiar os animais utilizando cetamina / acepromazina por indução (4-6 mg / kg), em seguida, isoflurano para manutenção. Avaliar a profundidade da anestesia, monitorando o reflexo palpebral. Além disso, monitorizar os sinais vitais (ritmo cardíaco, a temperatura do corpo, a frequência respiratória, e / ou resposta ao apertar por uma pinça). Aplicar pomada oftálmica para os olhos para se proteger contra abrasões da córnea.
- Administrar antibióticos pré-processuais e limpar a pele dorsal com sabão cirúrgico à base de cloro-hexidina. Transferência de quatro 10 x 10 cm 2, grelhas, dois em cada lado doanimal, com 1 cm marcações de linha para a pele de um porco utilizando meio de transferência de tatuagem. As grades correspondem às quatro regiões seguintes: rostral esquerda, rostral direita, caudal esquerdo, e caudal direita. Use um modelo com uma referência linha média para assegurar a colocação simétrica dos padrões de grade.
- Criar as grades em papel traçando a grade descreve fortemente com uma caneta esferográfica. Lava-se a área em que o animal em que a grelha é para ser colocado com álcool isopropílico.
- Aplicar a grade (lado caneta de tinta para baixo) directamente sobre a pele. O álcool serve para sanguessuga alguma da tinta fora do papel, a transferência da grelha para a pele do animal.
- Injectar anestésico local (1% de lidocaína com adrenalina 1: 100.000) por via subcutânea no local de cada incisão planeado.
- Faça uma incisão em cada lado do animal no ponto médio entre as duas redes.
NOTA: As incisões são colocadas no lado esquerdo e direito do animal entre as 2 grades emaquele lado. Há uma esquerda lado incisão e uma incisão do lado direito - Use uma pinça hemostática para desenvolver um túnel subcutâneo abaixo da grade de interesse. Depois de desenvolver um túnel, insira o expansor abaixo da grade.
NOTA: Os túneis são colocados sob qualquer grade que terá um expansor de tecido. - Coloque a porta para a inflação expansor remotamente através de um túnel subcutâneo desenvolvido de uma forma semelhante ao longo da linha média dorsal do animal. feridas reparo por sutura.
- No pós-operatório, tratar o animal com antibióticos profiláticos (ceftiofur 5 mg / kg IM uma vez), bem como analgésicos (Buprenorfina 0,05-0,1 mg / kg) via injecção intramuscular a cada 12 h para 4 doses, com doses adicionais disponíveis para a evidência de desconforto dos animais.
- Observe os animais continuamente durante 2 horas após a cirurgia, incluindo a medição rotineira de sinais vitais depois de terem retomado ambulação e são capazes de manter a normotermia. Casa do animal em uma gaiola separada e monitor até it é capaz de andar de forma independente em todos os 4 pernas antes de transferi-lo de volta à sua área normal de habitação e o abandona.
- Após o período de recuperação pós-anestésica imediata, verificar os animais diariamente para avaliar a cicatrização de feridas. Retirar as suturas 14 dias de pós-operatório. Estas incisões não exigem curativos. Deixar as incisões para curar por 3 - 4 semanas antes de iniciar a expansão
Protocolo 2. Inflação
NOTA: O momento das insuflações e quantidade de solução utilizada em cada expansor depende da questão específica a ser estudada. Para caracterizar o efeito de diferentes geometrias de expansão, um protocolo adequado é a realização de cinco passos de inflação, a 0, 2, 7, 10, e 15 dias para atingir um volume de enchimento de 50, 75, 105, 165, e 225 cc, respectivamente.
- Antes de cada passo da inflação, a cetamina sedar animais administração (4-6 mg / kg) e dexmedetomidina em 20 - 80 ug / kg.
NOTA: A dexmedetomidina é umn agonista alfa-adrenérgicos que podem ser revertidos com atipamezol (1: 1 volume: volume), para facilitar a recuperação mais rápida; no entanto, este nível de sedação pode não ser adequada para o animal a tolerar expansão sem indevida risco de dano para o animal ou manipuladores. Se este for o caso, administrar anestesia geral, fornecendo isoflurano através de ventilação com máscara após a indução cetamina / acepromazina. - Anexar duas fitas métricas flexíveis de plástico para a pele do animal com fita cirúrgica. Coloque as fitas métricas entre as grades nas laterais esquerda e direita.
- Colocar o animal em um lado e adquirir 30 fotografias da cena de tantos ângulos diferentes quanto possível.
NOTA: O objetivo é capturar a geometria das duas grades visíveis quando o animal está colocando para baixo em um lado.- Em primeiro lugar, posicionar a câmara acima do animal e inclinando-se para o lado caudal, para capturar um tiro onde as grades são tatuados totalmente visível e preencher o quadro.
- Move em um padrão circular em torno do animal em um arco a partir do caudal para a direção rostral, tirar fotografias ao longo do caminho, garantindo que, para cada fotografia, as grades tatuados que são visíveis aparecem inteiramente no quadro.
- Ao mesmo tempo, tentar maximizar o espaço que as grades ocupam no quadro. Um tiro ideal seria capturar o dorso do animal com as grades tatuados e apenas pequenas regiões do fundo.
- Em seguida, posicionar a câmera para o lado ventral para capturar um ângulo de tiro que é aproximadamente paralelo ao chão e tirar fotografias em um arco do ventral para a região dorsal.
NOTA: A quantidade de fotografias não é um valor fixo. Para uma boa reconstrução, cada ponto no grid tatuado deve estar em pelo menos 3 fotografias; 30 fotografias total é uma quantidade adequada para a reconstrução da geometria bem sucedida.
- Colocar o animal no lado oposto e tirar 30 fotografias dos doisrestantes grelhas seguindo os mesmos passos descritos acima.
- Realizar o passo de inflação, encontrando a porta de enchimento remoto e injectando a quantidade necessária de solução de soro fisiológico que corresponde ao protocolo de expansão de interesse. Use 0,9% de solução salina estéril injectável.
- Localizar os portos e preparação sobre a pele do animal com algodão embebido em álcool isopropílico. Acessar a porta com uma agulha de borboleta de calibre 25 estéril ligada a uma seringa cheia com solução salina estéril injectável.
NOTA: Como descrito acima, as portas são subcutaneamente para uma posição sobre o dorso linha média anterior, durante a colocação expansor. - Injectar a quantidade desejada de solução salina. Por favor, consulte a nota no início desta seção para os volumes de inflação injetados em cada etapa do processo de expansão.
- Localizar os portos e preparação sobre a pele do animal com algodão embebido em álcool isopropílico. Acessar a porta com uma agulha de borboleta de calibre 25 estéril ligada a uma seringa cheia com solução salina estéril injectável.
- Repita os passos de aquisição foto após a inflação.
- Uma vez que o protocolo de insuflação está completa, sacrificar os animais.
- administrar geralanestesia, fornecendo isoflurano através de ventilação com máscara após a indução cetamina / acepromazina. Avaliar a profundidade da anestesia, monitorando o reflexo palpebral. Além disso, monitorizar os sinais vitais (ritmo cardíaco, a temperatura do corpo, a frequência respiratória, e / ou resposta ao apertar com uma pinça).
- Eutanásia do animal por dose excessiva intravenosa de pentobarbital de 90 - 100 mg / kg. Após sobredosagem de pentobarbital para a eutanásia, confirmar a morte pela ausência de batimentos cardíacos detectável utilizando um oxímetro de pulso e palpação do pulso, bem como a ausência de respiração espontânea.
3. Multi-vista estéreo Reconstrução
- Use software disponível comercialmente para fazer o upload dos arquivos de imagem e reconstruir os modelos geométricos.
- Inicie o software MVS no navegador e faça login.
- Selecione Foto para 3D no canto superior esquerdo.
- Clique adicionar fotos, vá até o local do imidades e selecionar manualmente as 30 fotografias que correspondem a um único modelo.
- Nome do modelo e clique criar
- Aguarde até que o modelo a ser criado. Isso pode levar vários minutos. Clique painel à direita para voltar à página de destino original do software.
NOTA: O painel mostra imagens representativas dos modelos geométricos que foram criados pelo usuário. - Coloque o cursor sobre o modelo que acaba de ser criado. Coloque o cursor no canto inferior direito da imagem do modelo. Clique de downloads e selecione obj.
4. Fit Superfície Spline
- Use um software de código aberto para processar os modelos geométricos.
- Clique File-> Import-> obj para importar o arquivo gerado a partir do software MVS. Na parte inferior da 3D View, clique em Viewport Shading e seleTextura ct. Procure por um guia sobre o direito da Vista 3D com os submenus: transformar, Grease Pencil, Vista, 3D Lápis, etc. Clique em sombreamento e selecione Shadeless.
- Botão direito do mouse sobre a geometria para selecioná-lo. Na parte inferior da vista 3D, selecione Edit Mode para visualizar a malha triangular.
- Escolha um por um os nós nas marcações de 1 cm da fita métrica.
- Para selecionar um ponto, clique direito sobre ele, e destacar o ponto. Coordenadas para o ponto de aparecer no guia sobre o lado direito da Vista 3D. Selecione e copie as coordenadas do ponto selecionado para um arquivo de texto.
- Repita esta operação para todos os pontos sobre as marcas de 1 cm da fita métrica.
- Faça isso para ambas as medidas de fita. Exemplos de coordenar arquivos de texto são fornecemd: tape1.txt, tape2.txt.
NOTA: Se não houver nós da malha no ponto de interesse, subdividir a malha até que haja um nó no ponto de interesse. Para subdividir a malha selecionar os três vértices de um triângulo pressionando a tecla Shift e clique com o botão direito sobre os vértices. Em seguida, clique no botão Subdivide no separador que aparece no lado esquerdo da vista 3D. Esta operação adiciona mais três nós no interior do triângulo selecionado.
- Selecione as 11 x 11 pontos da grade e guardar as coordenadas dos 121 pontos para um arquivo de texto no padrão mostrado na Figura 1.
- Analogamente ao que foi feito para as medidas de fita, para selecionar um ponto da grelha, clique direito sobre ele, o ponto será destacado. Coordenadas para o ponto aparecerá na guia sobre o lado direito da Vista 3D. Selecione e copie as coordenadas do ponto selecionado para um arquivo de texto
NOTA: A numeração dos pontos da grade é ALWcaudal ays para rostral e a partir da linha média dorsal para a região ventral. Esta ordenação garante que o espaço de parâmetros é consistente para quaisquer dois patches. Como um exemplo, o gridReference.txt ficheiro que contém as coordenadas de pontos 121 de um penso para a pele é fornecida.
- Analogamente ao que foi feito para as medidas de fita, para selecionar um ponto da grelha, clique direito sobre ele, o ponto será destacado. Coordenadas para o ponto aparecerá na guia sobre o lado direito da Vista 3D. Selecione e copie as coordenadas do ponto selecionado para um arquivo de texto
- Download, compilar e instalar bibliotecas de spline C ++. O splineLibraryInstallation.txt arquivo contém o link para o código-fonte das bibliotecas de spline e instruções para a instalação.
- Compilar o generateCurve.cpp código fonte para gerar o generateCurve executável
NOTA: O generateCurve programa só precisa ser compilado uma vez. Para compilar este código fonte C ++ e gerar um executável siga as instruções na parte superior do arquivo de código fonte generateCurve.cpp. - Use o generateCurve programa para caber estrias às medidas de fita e os pontos de grade. Para executar o executável em um Bcasca de cinzas, tipo
diretório $ ./generateCurve- Ao executar o programa, ele irá solicitar que o usuário digite o caminho para o arquivo que contém as coordenadas da fita métrica. Em seguida, o programa irá pedir um nome para o arquivo de saída. Adicione o .g2 rescisão ao nome do arquivo.
NOTA: A terminação .g2 significa ferramentas ir, e está associada às bibliotecas de spline. Dois exemplos de ficheiros de spline que correspondem às medidas de fita estão disponíveis com este protocolo (tape1.g2, tape2.g2).
- Ao executar o programa, ele irá solicitar que o usuário digite o caminho para o arquivo que contém as coordenadas da fita métrica. Em seguida, o programa irá pedir um nome para o arquivo de saída. Adicione o .g2 rescisão ao nome do arquivo.
- Use o scalePoints.py script Python para escalar os pontos da grade. Executar o programa em um prompt shell Bash com três argumentos: o nome do arquivo dos pontos de grade e os nomes de arquivo das ranhuras correspondentes às medidas de fita
diretório $ python scalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
NOTA: O script scalePoints.py importa os scripts de B_spline.py e NURBS_Curv e.py, portanto, todos os três scripts devem estar na mesma pasta. - Compilar o generateSurface.cpp código fonte para gerar o generateSurface executável.
NOTA: Este passo só precisa ser feito uma vez. Instruções mais detalhadas estão disponíveis no início do arquivo de código fonte generateSurface.cpp. - Use o generateSurface programa para caber uma superfície spline para os pontos de grade. Execute o generateSurface executável no shell Bash
diretório $ ./generateSurface- A execução do programa em um shell irá pedir o nome do arquivo contendo os pontos em escala. Em seguida, ele irá pedir o nome do arquivo de saída. Adicione o .g2 rescisão ao nome do arquivo de saída.
NOTA: O .g2 rescisão é sugerido pelas bibliotecas de spline e stands para obter ferramentas go. Os arquivos gridReference.g2 e gridDeformed.g2 são fornecidos como exemplos.
- A execução do programa em um shell irá pedir o nome do arquivo contendo os pontos em escala. Em seguida, ele irá pedir o nome do arquivo de saída. Adicione o .g2 rescisão ao nome do arquivo de saída.
- Comece Python no prompt shell Bash
diretório $ python
NOTA: Python inicializa o intérprete, que é uma interface semelhante à casca que irá mostrar um novo ambiente de linha de comando >>> - Importar o script expansionIGA.py que contém uma função chamada evaluateMembraneIGA
>>> de evaluateMembraneIGA importação expansionIGA - Chame a função evaluateMembraneIGA para calcular os mapas de deformação.
NOTA: Esta função toma como argumentos:
Nome do ficheiro da superfície de referência
Nome do ficheiro da superfície deformada
Resolução da avaliação (quantos pontos são avaliados em cada sentido)
valor mínimo de estiramento área usado para dimensionar o gráfico de contorno
valor máximo de estiramento área usado para dimensionar o gráfico de contorno
valor mínimo de estiramento no sentido longitudinal nosed dimensionar os contornos
O valor máximo de estiramento na direcção longitudinal usado para dimensionar os contornos
O valor mínimo de estiramento na direcção transversal usado para dimensionar os contornos
O valor máximo de estiramento na direcção transversal usado para dimensionar os contornos
O espaçamento entre as linhas de grade na trama contorno
arquivo de saída- Por exemplo, execute
>>> evaluateMembraneIGA ( 'gridReference.g2', 'gridDeformed.g2', 250, 3, 0,5, 2, 0,5, 2, 0,5, 25, 'deformação')
NOTA: Este comando irá gerar e salvar seis arquivos de saída. Note-se que o último argumento no exemplo acima é a deformação arquivo de saída, assim, os arquivos que serão gerados são:
gráfico de contorno do trecho área: deformation_theta.png
deformation_theta.txt: tabela de valores correspondentes para o traçado de contorno de estiramento área
gráfico de contorno do Alon trecho: deformation_G1.pngg o eixo longitudinal do animal
deformation_G1.txt: tabela de valores correspondentes para o traçado de contorno de se estende ao longo do eixo longitudinal do animal
traçado de contorno da componente de alongamento em que o eixo transversal do animal: deformation_G2.png
deformation_G2.txt: tabela de valores correspondentes para o traçado de contorno da componente do estiramento no eixo transversal do animal
NOTA: Não confunda o término do arquivos de spline, .g2, com a G2 vetor. Os arquivos de spline ter terminando .g2 seguir as convenções de nomenclatura da biblioteca spline. Por outro lado, o G1 e G2 vectores denotar as direcções longitudinal e transversal em relação ao animal.
NOTA: Os Arquivos do contorno são gerados com características distintas nos quatro cantos para facilitar a interpretação do espaço de parâmetros: Preto do pixel: mais caudal, a maioria de ponto dorsal; canto de pixel vermelho: most rostral, ponto mais dorsal; canto de pixel verde: a maioria, ponto mais ventral caudal; canto azul do pixel: mais rostral, ponto mais ventral.
- Por exemplo, execute
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Representative Results
Esta metodologia tem sido utilizada com êxito para estudar a deformação induzida por diferentes geometrias expansor: rectângulo, esfera e expansores crescente 31, 32. Os resultados correspondentes para a esfera e crescente expansores são discutidas a seguir. A Figura 2 ilustra os três passos de MVS reconstrução modelo. O ponto de partida é uma coleção de fotografias de uma cena estática. O animal com as grades tatuados e as medidas de fita estava deitado imóvel enquanto as fotografias foram tiradas de diferentes ângulos. As características algoritmo MVS compensadas entre as fotografias para extrair coordenadas 3D. Como resultado, foi gerado um modelo geométrico constituído por uma malha triangular com textura.
O protocolo aqui descrito pode ser utilizado para investigar os diferentes aspectos do processo de expansão do tecido. as variaçõesem estirpes regionais induzidas por esfera e crescente expansores é um aspecto importante do processo de expansão, uma vez que leva a variações regionais na quantidade de pele cultivada. Ambos os dispositivos foram preenchidos com o mesmo volume em cada ponto do tempo. Cinco passos de inflação foram realizados a 0, 2, 7, 10, e 15 dias para gerar volumes de enchimento de 50, 75, 105, 165, e 225 cc. A Figura 3 mostra fotografias das grelhas de pele expandidas no final de cada passo da inflação. Os expansores de esticado a pele e a deformação era aparente pela distorção da grade ao longo do tempo.
Para cada configuração de grelha uma superfície estriada foi gerado tal como descrito na secção de Protocolo. Deformações foram calculados pela escolha de uma referência e uma grade deformada, como ilustrado na Figura 1. Os resultados de dois diferentes tipos de análises são discutidos aqui. Para estudar a deformação crónica, o porco no dia 0 foi seleccionado como tele faz referência a configuração e em comparação com todos os outros pontos de tempo. Comparando-se o final de cada passo da inflação para os resultados de configuração de referência nos gráficos de contorno mostrado na Figura 4. A metodologia apresentada aqui extrai três medidas de deformação. A mudança de área é denotado θ, o estiramento na direcção longitudinal é designado λ G1, G2 e λ é o estiramento na direcção transversal, tal como mostrado na Figura 1. A progressão das alterações na área e alongamentos nas duas direcções ortogonais para esfera e crescente expansores estão representados na Figura 4. Spline superfícies são geralmente liso e, por conseguinte, os gráficos de contorno correspondentes eram lisas. No entanto, a grossura da malha foi evidenciado pela contornos que mostrou características de ponto. Uma grade mais fina iria aumentar a fidelidade dos mapas de deformação. No entanto, as diferenças entre as diferentes geometrias expansor foi imediatamente apparent e quantificável. Apesar de ambos os expansores foram preenchidos com o mesmo volume, o expansor esférica induziu uma maior deformação. A variação espacial dos gráficos de contorno revelou que a pele esticada foi mais no centro do expansor em comparação com a periferia da grelha. Os resultados estão resumidos na Tabela 1.
Uma segunda análise consistiu em determinar a deformação aguda em cada passo da inflação. Neste caso, a configuração de referência foi a grade imediatamente antes da expansão, e a grelha deformada foi que imediatamente após o passo de inflação. As deformações induzidas em cada passo da inflação eram notavelmente semelhantes, em média, entre os diferentes pontos de tempo. O resumo está contido na Tabela 2. Em média, a deformação estava perto de 1 (onde 1 seria a ausência de deformação). A inspecção dos mapas de contorno mostrado na Figura 5 exibiu variações espaciais evidentes. Mesmo que não havia quase nenhuma deformação, em média, algumas zonas da grade foram esticados, enquanto outros foram encolhidos no que diz respeito à referência. Semelhante à análise da deformação crónica, as regiões do centro foram as que estão sendo esticadas ao máximo.
Em ambos os casos agudos e crónicos, alongamentos longitudinais e transversais mostraram uma tendência clara indicativo de anisotropia. Pele, como a maioria dos tecidos de colagénio, mostra uma orientação das fibras preferido contribuindo para uma resposta mecânica 25 anisotrópica. No caso de pele na parte de trás de um porco, as fibras são pensados para ser alinhados transversalmente 33. As nossas experiências mostraram que, durante a expansão da pele, as extensões nas direcções longitudinais foram sempre maiores do que as ao longo da direcção transversal. Isso foi verdade tanto para a esfera e os expansores crescente, em todos os momentos, e para o conto deformação aguda e crônicaUrs. Este resultado suporta a hipótese de que a anisotropia da pele pode ter impacto as deformações induzidas durante um processo de expansão do tecido.
Figura 1: Configurações de grade e o parâmetro de espaço. Grids são tatuados nas costas dos animais e fotografado com fitas métricas no lugar, a fim de dimensionar os modelos geométricos (em cima). Deformação entre uma referência e uma configuração deformada é caracterizada por três variáveis: a área de mudança q, estiramento longitudinal λ G1, G2 e transversal estiramento λ (topo). A grade é consistentemente parametrizado por numeração dos pontos sempre de caudal a rostral e da dorsal com as instruções ventral (canto inferior esquerdo). A saída da análise é um gráfico de contorno sobre o espaço de parâmetros. Os contornos são marcados nos cantos com um pixel, que takes a cor preto, vermelho, verde e azul, para facilitar a identificação do caudal, rostral, dorsal e ventral lados (direita inferior). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Multi-vista estéreo Reconstrução de um processo de expansão. MVS é um algoritmo de visão computacional que toma como fotografias de entrada de diferentes ângulos com posições de câmera desconhecidos (esquerda). O algoritmo combina características através das imagens para encontrar as coordenadas 3D (centro). A saída do algoritmo é uma malha triangular com o sobreposto textura (à direita). (Figura adaptado com permissão de 31) Por favor, cliqueaqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Expansão de esfera e expansores crescente. Esfera (linha superior) e crescente (linha inferior) expansores foram colocados abaixo da pele tatuado na parte de trás de um porco e insuflado nos dias 0, 2, 7, 10, e 15 dias para gerar volumes de enchimento de 50, 75, 105, 165, e 225 cc. (Figura adaptado com permissão de 31). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Deformação Crónica Induzida por esfera e expansores crescente. As grelhas tatuados foram convertidos a spline superfícies para análise (linhas 1 e 2).Tomando a referência a ser a grade no dia 0, foram calculados três medidas de deformação. variação de área mostrou valores progressivamente maiores ao longo do tempo, com a maior deformação na região do centro do expansor, e maior deformação na esfera em comparação com o crescente (linhas 3 e 4). alongamentos longitudinais (linhas 5 e 6) se assemelhava trechos da área enquanto estiramentos transversais (linhas 7 e 8) mostrou bandas de deformação e um alongamento menor em comparação com a direcção longitudinal. (Figura adaptado com permissão de 31) Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Deformação aguda induzida por esfera e expansores crescente. Tomando como referência a configuração apenas antes de um passo de inflação, e quantodeformado a configuração imediatamente após a injecção de solução a um expansor, deformações agudas foram calculados. mapas de deformação foram lisa, no entanto, alguns efeitos de borda eram visíveis e a aspereza da discretização reflectiu-se padrões de manchas do tipo de deformação. alterações da área (linhas 1 e 2) mostraram uma variação regional, com maior estiramento na região correspondente ao expansor. Trechos eram semelhantes nos diferentes momentos. A mesma tendência pode ser visto por troços longitudinais (linhas 3 e 4). estiramentos transversais (linhas 5 e 6) mostrou distribuições mais uniformes e valores mais baixos em comparação com o caso longitudinal. (Figura adaptado com permissão de 31) Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Tempo [dias] | Volume [cc] | Área mudança θ | Do alongamento longitudinal G1 λ | Estiramento transversal G2 λ | |||||||
| max | min | avg | max | min | avg | max | min | avg | |||
| 0 | esfera | 50 | 1,44 | 0,71 | 0,98 | 1,37 | 0,76 | 1 | 1,17 | 0,84 | 0,97 |
| 0 | crescente | 50 | 1,46 | 0,76 | 0,98 | 0,79 | 1 | 1,17 | 0,84 | 0,98 | |
| 2 | esfera | 75 | 1,74 | 0,68 | 1,08 | 1,51 | 0,73 | 1,08 | 1,19 | 0,75 | 1 |
| 2 | crescente | 75 | 1,43 | 0,66 | 1 | 1,31 | 0,65 | 1 | 1,26 | 0,77 | 1 |
| 7 | esfera | 105 | 0,01 | 0,69 | 1,21 | 1,7 | 0,75 | 1.13 | 1,32 | 0,84 | 1,07 |
| 7 | crescente | 105 | 1,66 | 0,83 | 1.15 | 1,4 | 0,87 | 1.11 | 1.33 | 0,86 | 1,03 |
| 10 | esfera | 165 | 2,26 | 0,74 | 1,36 | 1,76 | 0,77 | 1,21 | 1,39 | 0,83 | 1.11 |
| 10 | crescente | 165 | 1,86 | 0,87 | 1,26 | 1,58 | 0,8 | 1.15 | 1,45 | 0,83 | 1,09 |
| 15 | esfera | 225 | 2,77 | 0,72 | 1,52 | 2.01 | 0,69 | 1,29 | 1,47 | 0,89 | 1,18 |
| 15 | crescente | 225 | 1,87 | 0,83 | 1,32 | 1,46 | 0,84 | 1,17 | 1,44 | 0,92 | 1,14 |
| 21 | esfera | 225 | 3,09 | 0,93 | 1,7 | 2.13 | 0,9 | 1.33 | 1,62 | 0,98 | 1,27 |
| 21 | crescente | 225 | 2,25 | 0,87 | 1,49 | 1,66 | 0,85 | 1,25 | 1,67 | 0,96 | 1,2 |
Tabela 1: Resumo de Deformação crónica. As estirpes foram calculados tendo a configuração inicial como referência e comparando as manchas no final de cada passo da inflação com respeito a ele. A média da deformação atribuída à esfera expansor atingiu 1,70 no dia 21, enquanto que o expansor crescente deformado 1,49 em área no final da expansão. Houve uma variação espacial significativa e valores máximo e mínimo variou no que diz respeito à média. Os alongamentos longitudinais atingiu 1,33 e 1,25 para as esferas e crescente expansores, respectivamente, enquanto trechos transversais foram mais baixos, com valores de 1,27 e 1,20. (Tabela adaptado com permissão de
onteúdo" FO: manter-together.within-page = '1'> Quadro 2:.. Resumo da aguda Deformação As estirpes foram calculados tendo a configuração antes da expansão, como a referência e a configuração imediatamente após o passo de inflação como a grelha deformada da média, tanto a esfera e crescente expansores apresentaram tendências semelhantes, com valores próximos de 1 que indicam nenhuma deformação. no entanto, devido a variações espaciais, medimos alterações máximas da área foram tão elevadas como 1,60 para a esfera e 1,50 para o crescente. o trechos nas direcções longitudinais e transversais foram anisotrópica, com os valores máximos de alongamentos longitudinais quase sempre mais elevados do que os troços transversais. (Tabela adaptado com permissão de 31) Tempo [dias] Expander Volume [cc] Área mudança θ Do alongamento longitudinal G1 λ Estiramento transversal G2 λ max min avg max min avg max min avg 0 esfera 50 1,32 0,72 0,98 1,44 0,75 1 1,23 0,83 0,97 0 crescente 50 1.5 0,71 0,98 1.3 0,8 1 1,21 0,84 0,98 2 esfera 75 1,36 0,69 0,98 1,26 0,66 1 1,2 0,8 0,98 2 crescente 75 1,31 0,61 0,98 1,24 0,8 1.01 1,34 0,68 0,97 7 esfera 105 1,4 0,79 0,98 1.3 0,57 1 1,2 0,77 0,98 7 crescente 105 1,37 0,59 1 1,6 < / Td> 0,83 1,02 1.16 0,77 0,98 10 esfera 165 1,6 0,73 1.01 1,35 0,6 1,02 1,25 0,75 0.99 10 crescente 165 1,48 0.58 1.01 1,42 0,75 1,02 1,22 0,77 1 15 esfera 225 1,27 0,73 1.01 1,35 0,55 1,02 1,22 0,79 0,98 15 crescente 225 1,34 0,54 1,02 1,37 0,8 1,02 1,32 0,81 1
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Discussion
Aqui, apresentado um protocolo para caracterizar as deformações induzidas durante um processo de expansão de tecido num modelo suíno utilizando multi-vista estéreo (MVS) e cinemática isogeometric (cinemática IgA). Durante a expansão do tecido, pele sofre grandes deformações que vão de uma superfície lisa e relativamente plana para uma forma de cúpula como 3D. Pele, como outras membranas biológicas 34, responde a esticar produzindo material novo, aumentando em área que pode ser então utilizado para fins reconstrutivas 35. Portanto, a determinação exata do trecho produzido por um expansor é crucial para entender os mecanismos que regulam a adaptação da pele. Planejando um procedimento de expansão é um desafio porque expansores de tecido vêm em diferentes tamanhos e formas, a distribuição trecho não é uniforme em toda a área expandida e isso depende da localização e taxa de inflação 11,Ref "> 36. Tendo um protocolo para estimar com precisão a deformação induzida por expansão e capaz de resolver grandes deformações, formas em 3D e variações regionais, abre novos caminhos para o estudo da regulação mecânica de crescimento da pele, e pode, eventualmente, levar a quantitativos ferramentas de planeamento pré-operatórios . para esse objectivo, foi desenvolvido um método não-invasivo, acessível, e flexível para medir a deformação de um modelo suíno de expansão de pele 32.
Passos críticos
Os modelos animais para a expansão do tecido foram bem caracterizadas por mais de duas décadas 37. pele porcina mostra propriedades comparáveis ao tegumento humano. Além disso, a expansão da pele de suínos segue um procedimento semelhante ao que seria feito em seres humanos 38. O processo de expansão do tecido é a pedra angular para o sucesso deste protocolo. cirurgiões experientes, especialistas em expansão de tecidos, realizados a technique no modelo animal apresentados aqui.
A pele é convenientemente expostos ao ambiente exterior e é uma membrana fina e, por conseguinte, a sua deformação pode ser caracterizado por pontos de rastreio sobre a superfície 17. MVS oferece uma técnica flexível e acessível para estudar as deformações da pele 3D in vivo durante longos períodos de tempo. Este algoritmo toma como entrada um conjunto de fotografias de uma cena estática e usa recurso de correspondência através das fotografias para extrair coordenadas 3D. MVS reconstrução e análise cinemática posterior dependem criticamente as etapas de aquisição foto deste protocolo.
Modificações e resolução de problemas
Durante a expansão do tecido, o dispositivo pode migrar para longe da grelha devido ao movimento de animais e afrouxamento da bolsa na qual o expansor foi originalmente colocada. Se a área ampliada move-se fora da grade, o expansor deve ser esvaziado e retirado. esta problema foi encontrado usando o protocolo em um dos oito grelhas 31, 32. Expansores também pode vazar, se eles são defeituosos ou perfurado durante o protocolo de inflação. Isto também compromete a validade da experiência e a segurança do animal, pelo que o expansor deve ser removido. Este problema foi encontrado usando este protocolo em um dos oito grades 31, 32.
MVS reconstrução pode ser um desafio para alguns conjuntos de fotografias devido a efeitos de iluminação, falta de foco, e ruído de fundo 23. Mesmo que as ferramentas comerciais para MVS são poderosos, se os resultados não são precisos o suficiente no início, as seguintes etapas de solução de problemas sempre corrigido o problema em nossa experiência: remover manualmente a fundo nas fotografias; selecionar um subconjunto de fotografias com foco mais nítido e descartar i borradamagos; selecionar manualmente pontos correspondentes em todo fotografias na interface do software comercial.
Limitações da técnica
Como discutido acima, tegumento de porcino é semelhante à humana 38, no entanto, há ainda diferenças. Portanto, não é esperado um modelo suíno para ser totalmente preditivo de protocolos de expansão 37 de tecido humano. Outra limitação do protocolo é a falta de ferramentas comerciais ou software user-friendly para analisar os modelos geométricos. Atualmente, uma vez que a geometria é gerada através de MVS, a análise é realizada com código in-house que consiste em C ++ e scripts Python. Enquanto, por um lado, o método proposto é criativo e oferece uma forma acessível, conveniente para estudar a mecânica do tecido mole durante longos períodos de tempo, a análise dos dados é dependente de tecnologias que só foram populares durante a última década 27. para circumdesabafar esta limitação, nós fornecemos a nossa implementação de sub-rotinas de spline com esta submissão. Mais uma limitação é a restrição de uma grade tatuada de modo a acompanhar as deformações crónicas. A necessidade de uma grade tatuado dificulta a tradução do protocolo para ambientes clínicos.
Importância da Técnica em Matéria de Existentes / Métodos Alternativos
Atualmente, os médicos dependem principalmente da sua experiência durante o planejamento pré-operatório de procedimentos de expansão de tecido, o que levou a uma grande variedade de protocolos arbitrários que muitas vezes diferem grandemente 13, 14, 15. O protocolo aqui apresentado aborda as lacunas de conhecimento existentes de quantificação de deformação induzida por expansão em um modelo animal porcino de expansão do tecido. Para o conhecimento do autor, este é o primeiro protocolo para quantificar mapas de deformação contínuas em manchas consideráveis de tecido da pele <sup class = "xref"> 31, 32.
O protocolo é inovadora, não-invasiva, acessível e flexível; ele se baseia em recentes desenvolvimentos em algoritmos de visão computacional, como MVS, e análise numérica, como cinemática IGA. MVS tem avançado intensamente na última década, atingindo os erros de reconstrução tão baixas quanto 2% 24. O aumento do software disponível no mercado, bem como o código-fonte aberto mostra a alta popularidade deste método 41. MVS é acessível porque requer apenas uma câmera digital e as fotografias são tiradas sem calibração da posição da câmera. Em contraste, outras técnicas, tais como a reconstrução estéreo necessitar de equipamento adicional para controlar a localização da câmara 17. MVS é flexível, porque pode ser realizado em uma variedade de cenários, desde que as fotografias podem ser tiradas de diferentes ângulos. Esta é uma característica que se torna mais relevant ao considerar uma potencial aplicação clínica. Em contraste, outras técnicas, como rastreamento de movimento requerem uma configuração específica e não pode ser realizada em um local arbitrário 18. Uma outra característica da MVS é a produção de geometrias 3D. Outras técnicas, tais como a correlação de imagem digital (DIC), são preferidos para movimento 2D tracking 39. Os resultados aqui apresentados exibiu a capacidade de algoritmos comerciais para reconstruir fielmente as formas 3D induzidas durante a expansão do tecido.
A partir das geometrias 3D, deformações têm de ser calculados. Este protocolo baseia-se na utilização de cinemática IGA superfície estriada. As estrias são úteis porque alguns pontos de controlo parametrizar geometrias suaves com alto continuidade os quais são necessários para a análise de membranas finas 40. A maior vantagem de estrias nesta aplicação é a noção de um espaço paramétrico. Outras técnicas, tais como ELE finitamentos, falta um domínio parâmetro global. Embora isto seja conveniente para certos problemas, tais como a simulação de manchas irregulares (por exemplo, emplastros com buracos), possuindo uma parametrização explícita permite a determinação de se estende entre quaisquer duas configurações de uma maneira simples. Por exemplo, duas análises diferentes foram mostrados aqui: deformações crónicas e agudas. Para calcular as estirpes nas grades com este protocolo é suficiente para proporcionar as nervuras das duas superfícies de interesse uma vez que todas as superfícies têm o mesmo domínio parâmetro.
Durante a expansão do tecido, pele responde à deformação aplicada por crescimento na área superficial, produzindo novo tegumento que pode então ser empregue para cirurgia reconstrutiva. Caracterizando deformações clinicamente relevantes de pele por longos períodos de tempo pode melhorar a nossa compreensão do mechanobiology deste órgão, bem como permitir o desenvolvimento de ferramentas pré-operatórios quantitativos. O protocolo descrito elae aborda especificamente a necessidade de um projeto experimental com potencial de tradução para a situação clínica.
Aplicações futuras ou Directions Depois de dominar esta técnica
O código de fonte que é usado neste protocolo pode ser facilmente ajustado para outras aplicações e poderiam ser incorporadas em implementações mais fáceis de usar. Fornecida com este papel são rotinas para avaliar funções de base da ranhura, parametrizar campos contínuos sobre as superfícies da ranhura, integram esses campos contínuos, e calcular gradientes de deformação, de membrana e as tensões de flexão. Esperamos que este código-fonte continuará a evoluir no sentido de uma ferramenta que pode ser eventualmente usado em aplicações clínicas reais de expansão do tecido, bem como permitir que outras aplicações. Outra área futuro do trabalho é o refinamento deste protocolo para levar em consideração as propriedades e tensões no tecido mecânicos e não apenas a cinemática.
from uma perspectiva clinicamente relevante, este protocolo é capaz de quantificar variações regionais de deformação do tecido, bem como as diferenças entre diferentes formas de expansão e as taxas de inflação 31, 32. É necessário mais trabalho para continuar a avaliar o efeito de diferentes parâmetros de expansão sobre a resposta do tecido. Além disso, mais refinamento do modelo suíno com ênfase nos mecanismos biológicos de adaptação podem ajudar a elucidar os mecanismos fundamentais que regulam a adaptação pele para esticar. O objectivo final é o de validar o protocolo num modelo suíno, a fim de traduzi-lo para o ambiente clínico.
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Disclosures
Sthe autores não têm nada a divulgar.
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/ |
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