La cuantificación de la cepa en un modelo porcino de expansión de la piel Uso de Multi-View estéreo y Isogeometric Cinemática

Summary

Este protocolo utiliza múltiples vistas estéreo para generar tres dimensiones (3D-models) fuera de las secuencias no calibrados de fotografías, lo que es asequible y ajustable a un entorno quirúrgico. mapas de deformación entre los modelos 3D se cuantifican con cinemática isogeometric basado-spline, que facilitan la representación de superficies lisas más de mallas gruesas que comparten la misma parametrización.

Abstract

Tissue expansion is a popular technique in plastic and reconstructive surgery that grows skin in vivo for correction of large defects such as burns and giant congenital nevi. Despite its widespread use, planning and executing an expansion protocol is challenging due to the difficulty in measuring the deformation imposed at each inflation step and over the length of the procedure. Quantifying the deformation fields is crucial, as the distribution of stretch over time determines the rate and amount of skin grown at the end of the treatment. In this manuscript, we present a method to study tissue expansion in order to gain quantitative knowledge of the deformations induced during an expansion process. This experimental protocol incorporates multi-view stereo and isogeometric kinematic analysis in a porcine model of tissue expansion. Multi-view stereo allows three-dimensional geometric reconstruction from uncalibrated sequences of images. The isogeometric kinematic analysis uses splines to describe the regional deformations between smooth surfaces with few mesh points. Our protocol has the potential to bridge the gap between basic scientific inquiry regarding the mechanics of skin expansion and the clinical setting. Eventually, we expect that the knowledge gained with our methodology will enable treatment planning using computational simulations of skin deformation in a personalized manner.

Introduction

La expansión de tejido es una técnica común en cirugía plástica y reconstructiva que crece la piel in vivo para la corrección de grandes defectos cutáneos ^1. Neumann, en 1957, fue el primer cirujano para documentar este procedimiento. Se implanta un globo debajo de la piel de un paciente y se infla gradualmente durante un período de varias semanas para crecer nuevo tejido y resurgir una oreja ^2. La piel, como la mayoría de los tejidos biológicos, se adapta a las fuerzas aplicadas y deformaciones con el fin de alcanzar la homeostasis mecánica. Cuando se estira más allá del régimen fisiológico, piel crece ^{3, 4.} Una de las ventajas fundamentales de la expansión del tejido es la producción de la piel con la vascularización adecuada y el mismo cojinete de pelo, propiedades mecánicas, color y textura que el tejido circundante ^5.

Después de su introducción hace seis décadas, la piel expansion ha sido ampliamente adoptado por los cirujanos plásticos y de reconstrucción y se utiliza actualmente para corregir quemaduras, grandes defectos congénitos, y para la reconstrucción de mama después de la mastectomía ^{6, 7.} Sin embargo, a pesar de su uso generalizado, procedimientos de expansión de la piel puede dar lugar a complicaciones ^8. Esto se debe en parte a la falta de suficiente evidencia cuantitativa necesaria para entender la mecanobiología fundamental del procedimiento y para guiar al cirujano durante la planificación preoperatoria ^{9, 10.} Los parámetros clave en esta técnica son la tasa de llenado, el volumen de llenado por inflación, la selección de la forma y tamaño del expansor, y la colocación del dispositivo ^{11, 12.} planificación preoperatoria actual se basa en gran medida en la experiencia del médico, lo que resulta en una amplia variedad de protocolos arbitrarios que a menudo difieren greatly ^{13, 14, 15.}

Para hacer frente a las lagunas de conocimientos actuales, presentamos un protocolo experimental para cuantificar deformación por expansión inducida en un modelo animal porcino de la expansión del tejido. El protocolo se basa en el uso de múltiples vistas estéreo (MVS) para reconstruir geometrías tridimensionales (3D) de secuencias de imágenes en dos dimensiones (2D) con posiciones de cámara desconocidos. El empleo de splines, la representación de superficies lisas conduce al cálculo de los mapas de deformación correspondientes por medio de una descripción isogeometric (IGA). El análisis de la geometría se basa en el marco teórico de la mecánica del continuo de membranas que tienen una parametrización explícita ^16.

La caracterización de las deformaciones fisiológicamente relevantes de substancias durante largos períodos de tiempo viviendo todavía sigue siendo un problema difícil. Las estrategias comunes paraformación de imágenes de tejidos biológicos incluyen estereoscópica de correlación de imágenes digital, sistemas de captura de movimiento comerciales con marcadores reflectantes, y el vídeo biplano fluoroscopia ^{17, 18, 19.} Sin embargo, estas técnicas requieren una configuración experimental restrictivo, son generalmente caros, y se han utilizado principalmente para ex vivo o aguda en entornos in vivo. La piel tiene la ventaja de ser una estructura delgada. A pesar de que se compone de varias capas, la dermis es en gran parte responsable de las propiedades mecánicas del tejido y de este modo la deformación de la superficie es de importancia primaria ^20; supuestos cinemáticas razonables se pueden hacer en relación con la deformación fuera del plano ^{21, 22.} Por otra parte, la piel ya está expuesta al ambiente exterior, por lo que es posible el uso de herramientas convencionales de imágenes para capturar su geometría. MARIDOERE proponemos el uso de MVS como un enfoque asequible y flexible para monitorizar deformaciones in vivo de la piel durante varias semanas sin interferir mayormente con un protocolo de la expansión del tejido. MVS es una técnica que extrae representaciones 3D de objetos o escenas de una colección de imágenes en 2D con la cámara desconocida ángulos de ^23. Sólo en los últimos tres años, han aparecido varios códigos comerciales (véase la lista de materiales para ejemplos). La alta precisión de la reconstrucción modelo con MVS, con errores tan bajas como 2% ^24, hace que este enfoque adecuado para la caracterización cinemática de la piel in vivo durante largos períodos de tiempo.

Para obtener los correspondientes mapas de deformación de la piel durante la expansión del tejido, puntos entre dos configuraciones geométricas se hacen coincidir. Convencionalmente, los investigadores en biomecánica computacionales han utilizado mallas de elementos finitos y análisis inverso para recuperar el mapa de deformación^{25, 26.} El enfoque IGA empleado aquí utiliza funciones de base spline, que ofrecen varias ventajas para el análisis de membranas delgadas ^{27, 28.} A saber, la disponibilidad de polinomios alto grado facilita representaciones de geometrías lisas incluso con mallas muy gruesas ^{29, 30.} Además, es posible para adaptarse a la misma parametrización subyacente a todos los parches de superficie, lo que evita la necesidad de un problema inverso para tener en cuenta discretizaciones no coincidentes.

El método aquí descrito abre nuevas vías para estudiar la mecánica de la piel en los ajustes pertinentes en vivo durante largos períodos de tiempo. Además, tenemos la esperanza de que nuestra metodología es un paso que permite hacia el objetivo final de desarrollar herramientas computacionales para la planificación del tratamiento personalizado en el entorno clínico. </ P>

Protocol

Este protocolo implica experimentos con animales. El protocolo fue aprobado por el IRB de Ann y el Hospital de Robert H. Lurie Children of Chicago Centro de Investigación de Cuidado de Animales y el empleo Comisión para garantizar un trato humano a los animales. Los resultados para dos estudios de expansión que utilizan este protocolo se han publicado en otros lugares 16, 31. La ejecución de este protocolo requiere un equipo con …

Representative Results

Esta metodología se ha empleado con éxito para estudiar la deformación inducida por diferentes geometrías de expansión: rectángulo, esfera y expansores de media luna 31, 32. Los resultados correspondientes a los expansores de esfera y de media luna se discuten a continuación. La Figura 2 ilustra los tres pasos de MVS reconstrucción modelo. El punto de partida es una colección de fotografías de una escen…

Discussion

Aquí presentamos un protocolo para caracterizar las deformaciones inducidas durante un procedimiento de expansión del tejido en un modelo porcino usando múltiples vistas estéreo (MVS) y la cinemática isogeometric (cinemática IgA). Durante la expansión del tejido, piel sufre grandes deformaciones que van de una superficie lisa y relativamente plana a una forma 3D de cúpula. De la piel, al igual que otras membranas biológicas ^34, responde a estirar mediante la producción de nuevo ma…

Materials

Yucatan miniature swine	Sinclair Bioresources, Windham, ME	N/A
Antibiotics	Santa Cruz Animal Health, Paso Robles, CA	sc-362931Rx	Ceftiofur, dosage 5mg/kg intramuscular
Chlorhexidine-based surgical soap	Cardinal Health, Dublin, OH	AS-4CHGL(4-32)	4% chlorhexidine gluconate surgical hand scrub
Tattoo transfer medium	Hildbrandt Tattoo Supply, Point Roberts, WA	TRANSF	Stencil thermal tattoo transfer paper
Lidocaine with epinephrine	ACE Surgical Supply Co, Brockton, MA	001-1423	Lidocaine Hcl 1% (Xylocaine) – Epinephrine 1:100,000, 20ml
Buprenorphine	ZooPharm, Windsor, CO		1 mg/ml sustained release, dosage 0.01 mg/kg intramuscular
Digital camera	Sony	Alpha33	Standard digital camera with 18-35mm lens, 3.5-5.6 aperture. Used in automatic mode, no flash
Tape measure	Medline, Mundelein, Illinois	NON171330	Retractable tape measure, cloth, plastic case, 72inches
Tissue expanders	PMT, Chanhassen, MN	03610-06-02	4cm x 6cm, rectangular, 120cc, 3610 series 2 stage tissue expander with standard port
ReCap360	Autodesk	N/A	MVS Software, Web application: recap360.autodesk.com
Blender	Blender Foundation	N/A	Computer Graphics Software, open source: blender.org
SISL	SINTEF	N/A	C++ spline libraries, open source: https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/