Summary
Detta protokoll använder multi-view stereo för att generera tredimensionella (3D) modeller av okalibrerade sekvenser av fotografier, vilket gör det överkomligt och justerbar till en kirurgisk miljö. Stam kartor mellan de 3D-modeller kvantifieras med spline-baserad isogeometric kinematik, som underlättar framställning av släta ytor över grova maskor som delar samma parametriseringen.
Introduction
Tissue expansion är en vanlig teknik i plast och rekonstruktiv kirurgi som växer huden in vivo för att korrigera stora kutan defekter 1. Neumann, 1957, var den första kirurgen att dokumentera den här proceduren. Han implanterade en ballong under huden på en patient och blåses upp gradvis under en period av flera veckor att växa ny vävnad och dyka upp igen ett öra 2. Hud, liksom de flesta biologiska vävnader, anpassar sig till tillämpade krafter och deformationer för att nå mekanisk homeostas. När den sträcks bortom den fysiologiska regimen växer huden 3, 4. En av de centrala fördelarna med vävnadsexpansion är produktionen av huden med ordentlig vaskularisering och samma hår lagret, mekaniska egenskaper, färg och konsistens som den omgivande vävnaden 5.
Efter introduktionen sex decennier sedan, hud expansion har fått stor spridning av plast och rekonstruktiv kirurger och används för närvarande för att korrigera brännskador, stora medfödda defekter och för bröstrekonstruktion efter mastektomi 6, 7. Men trots dess utbredda användning kan expansionsförfaranden huden leda till komplikationer 8. Detta delvis beror på avsaknaden av tillräckliga kvantitativa bevis som behövs för att förstå den grundläggande mechanobiology av förfarandet och för att vägleda kirurgen under preoperativ planering 9, 10. Nyckelparametrar i denna teknik är fyllningshastigheten, fyllning volym per inflation, val av formen och storleken för expandern, och placeringen av anordningen 11, 12. Nuvarande preoperativ planering bygger till stor del på läkarens erfarenhet, vilket resulterar i ett stort antal godtyckliga protokoll som ofta skiljer sig greatly 13, 14, 15.
Att ta itu med de nuvarande kunskapsluckorna, presenterar vi ett experimentellt protokoll för att kvantifiera expansionen inducerad deformation i en porcin djurmodell av vävnadsexpansion. Protokollet bygger på användning av multi-view stereo (MVS) för att rekonstruera tredimensionella (3D) geometrier av sekvenser av tvådimensionella (2D) bilder med okända kamerapositioner. Användning av splines, representation av släta ytor leder till beräkningen av de motsvarande deformation kartor med hjälp av en isogeometric (IGA) beskrivning. Analysen av geometrin är baserad på den teoretiska ram kontinuummekanik av membran med en explicit parametrering 16.
Karakterisera fysiologiskt relevanta deformationer av levande material över långa tidsperioder fortfarande ett utmanande problem. Gemensamma strategier föravbildning av biologiska vävnader inkluderar stereoskopisk digital bild korrelation, kommersiella motion capture system med reflekterande markörer, och biplan video fluoroskopi 17, 18, 19. Dessa tekniker kräver emellertid en restriktiv experimentuppställning, är i allmänhet dyra, och har i första hand används för ex vivo eller akut in vivo inställningar. Hud har fördelen av att vara en tunn struktur. Även om det består av flera lager, är dermis hög grad ansvariga för de mekaniska egenskaperna hos vävnaden och därmed ytan deformation är av primär betydelse 20; rimliga kinematiska antaganden kan göras om ut ur planet deformation 21, 22. Dessutom är huden redan utsatt för den yttre miljön, vilket gör det möjligt att använda konventionella avbildningsverktyg för att fånga dess geometri. Here föreslår vi användning av MVS som en prisvärd och flexibelt tillvägagångssätt för att övervaka in vivo deformationer av huden under flera veckor utan att interferera majorly med en vävnadsexpansion protokoll. MVS är en teknik som utvinner 3D representationer av objekt eller scener från en samling av 2D-bilder med okänd kameravinklar 23. Först under de senaste tre åren har flera kommersiella koder uppträdde (se lista över material för exempel). Den höga noggrannheten hos modellen rekonstruktion med MVS, med fel som är så låga som 2% 24, gör detta tillvägagångssätt lämpligt för den kinematiska karakterisering av hud in vivo under långa tidsperioder.
För att erhålla motsvarande deformation kartor över huden under expansion vävnad, är punkter mellan två godtyckliga geometriska konfigurationer matchas. Konventionellt har forskare inom beräknings biomekanik används finita element maskor och omvänd analys för att hämta deformationen kartan25, 26. IGA metod som används här använder spline basfunktioner som erbjuder flera fördelar för analys av tunna membran 27, 28. Nämligen, tillgängligheten av höga grad polynom underlättar representationer av glatta geometrier även med mycket grova maskor 29, 30. Dessutom är det möjligt att montera samma underliggande parametriseringen till alla ytområden, som kringgår behovet av en inversa problemet att ta hänsyn till icke-matchande discretizations.
Den metod som beskrivs här öppnar nya vägar för att studera huden mekanik i relevant in vivo inställningar under långa tidsperioder. Dessutom har vi är hoppfulla att vår metodik är en möjliggörande steg mot det slutliga målet att utveckla beräkningsverktyg för personlig behandlingsplanering i klinisk miljö. </ P>
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Detta protokoll involverar djurförsök. Protokollet godkändes av IRB av Ann och Robert H. Lurie barnsjukhuset i Chicago Research Center Animal Care och användning kommittén att garantera human behandling av djur. Resultaten för två expansionsstudier med användning av detta protokoll har publicerats på annat håll 16, 31.
Utförandet av detta protokoll kräver ett team med kompletterande kompetens. Den första delen av protokoll beskriver den kirurgiska proceduren på djurmodellen, som kräver personal med lämplig medicinsk utbildning. Den efterföljande analysen, särskilt avsnitten 4 och 5, inbegriper grundläggande datorprogrammeringskunskaper i C ++ och Python, och användning av en kommandorad skal.
1. Kirurgisk procedur för Expander Placering
OBS: personal som deltar i operationen ska skrubbas och gowned i ett sterilt sätt. Sterile handdukar och draperier appliceras runt operationsområdet för att upprätthålla sterilitet. Alla instrument, suturer och vävnadsexpander tas emot i steril förpackning och hanteras enbart av sterila personal. Sterilitet operationsområdet får inte kränkas förrän proceduren är klar.
- Acklimatisera en månad gamla manliga Yucatan minigrisar till standard bostäder för en vecka, och foder ad libitum.
- På dagen för kirurgi, söva djuret med användning av ketamin / acepromazin för induktion (4 - 6 mg / kg), sedan isofluran för underhåll. Utvärdera anestesidjup genom att övervaka ögonlocksreflexer. Också, övervaka vitala tecken (hjärtfrekvens, kroppstemperatur, andningsfrekvens, och / eller svars att nypa av vävnads pincett). Applicera oftalmologiska salva till ögonen för att skydda mot hornhinnan skrubbsår.
- Administrera pre-procedur antibiotika och rengör rygghuden med klorhexidin baserad kirurgisk tvål. Överförings fyra 10 x 10 cm 2 galler, två på varje sida av dendjur, med en cm linjemarkeringar till grishud med användning tatuering överföringsmedium. Gallren motsvarar följande fyra områden: vänster rostralt, höger rostralt, vänster stjärtfenan och höger stjärtfenan. Använd en mall med en mittlinje referens för att säkerställa symmetriska placeringen av rutnätsmönster.
- Skapa rutnät på papper genom att spåra nätet beskriver tungt med en kulspetspenna. Tvätta det område på djuret där nätet ska placeras med isopropylalkohol.
- Applicera gallret (pen-bläck sidan nedåt) direkt på huden. Alkoholen tjänar till att blodigel en del av bläcket bort av papper, överföra nätet till djurets hud.
- Injicera lokalbedövning (1% lidokain med 1: 100000 epinefrin) subkutant vid platsen för varje planerad snitt.
- Göra ett snitt på vardera sidan av djuret i mittpunkten mellan de två gallren.
OBS: Snitten placeras på vänster och höger sida av djuret mellan de 2 gallren påden sidan. Det finns en vänstersidig snitt och en högersidig snitt - Använd en hemostat för att utveckla en subkutan tunnel under rutnät av intresse. Efter att ha utvecklat en tunnel sätter expandern under gallret.
OBS: Tunnlar placeras under någon rutnät som kommer att ha en vävnadsexpander. - Placera porten för expandern inflation på distans via en utvecklad på ett liknande sätt längs ryggens mittlinje hos djuret subkutana tunneln. Reparations sår genom suturering.
- Postoperativt behandla djuret med profylaktiska antibiotika (Ceftiofur 5 mg / kg IM en gång) såväl som analgetika (Buprenorfin 0,05-0,1 mg / kg) via intramuskulär injektion varje 12 h under 4 doser, med ytterligare doser tillgängliga för bevis av animaliskt nöd.
- Observera djur kontinuerligt under 2 h postoperativt, inklusive rutin mätning av vitala tills de har återupptagit förflyttningar och är i stånd att upprätthålla normotermi. House djuret i en separat bur och bildskärmen tills jagt är i stånd att gå självständigt på alla 4 ben innan den överförs tillbaka till sin normala bostadsområde och lämnar den obevakad.
- Efter omedelbart efter anestesi återhämtningsperiod, kontrollera djuren dagligen för att utvärdera sårläkning. Ta suturerna 14 dagar efter operationen. Dessa snitt behöver inte förband. Låt snitt att läka efter 3 - 4 veckor innan expansionen
2. Inflation Protokoll
OBS: Tidpunkten för uppblåsningar och mängden av lösning som används i varje expander beror på den specifika frågan som studeras. För att karakterisera effekten av olika expandergeometrier, är ett lämpligt protokoll för att utföra fem inflationssteg vid 0, 2, 7, 10, och 15 dagar för att uppnå fyllningsvolymer av 50, 75, 105, 165, och 225 cm ^ respektive.
- Före varje uppblåsning steg, söva djuret administrerande ketamin (4 - 6 mg / kg) och dexmedetomidin på 20 - 80 ug / kg.
OBS: Dexmedetomidin är enn-alfa-adrenerg agonist som kan vändas med atipamezol (1: 1 volym: volym) för att underlätta snabbare återhämtning; Emellertid kan denna nivå av sedering vara olämpliga för djuret att tolerera expansion utan onödig risk för skada på djuret eller hanterare. Om så är fallet, administrera narkos genom att leverera isofluran via mask ventilation efter ketamin / acepromazin induktion. - Fäst två plast flexibla måttband på huden av djuret med hjälp av kirurgtejp. Placera måttband mellan gallren på vänster och höger sida.
- Placera djuret på ena sidan och förvärva 30 fotografier av scenen från så många olika vinklar som möjligt.
OBS: Målet är att fånga geometri av de två gallren synliga när djuret lägger ned på ena sidan.- Först, placera kameran ovanför djuret och lutande mot den kaudala sidan, för att fånga ett skott där tatuerade gallren är fullt synliga och fylla ramen.
- Move i ett cirkulärt mönster runt djuret i en båge från den kaudala till den rostrala riktningen, med fotografier längs vägen, säkerställer att, för varje fotografi, de tatuerade gallren som är synliga visas helt och hållet i ramen.
- Samtidigt, försök att maximera det utrymme som gallren upptar i ramen. En idealisk skott skulle fånga baksidan av djuret med tatuerade elnät och endast små områden i bakgrunden.
- Nästa, placera kameran i riktning mot den ventrala sidan för att fånga ett skott vinkel som ungefär är parallellt med marken och ta fotografier i en båge från den ventrala till den dorsala regionen.
OBS: Mängden av fotografier är inte ett fast värde. För en bra rekonstruktion bör varje punkt på tatuerade gallret vara minst 3 fotografier; 30 fotografier i totala är en tillräcklig mängd för framgångsrik geometri återuppbyggnad.
- Placera djuret på den motsatta sidan och ta 30 fotografier av de tvååterstående galler följande samma steg som skisserats ovan.
- Utföra uppblåsningssteget genom att hitta den avlägsna påfyllningsporten och injicera den erforderliga mängden saltlösning som motsvarar expansionsprotokollet av intresse. Använd steril 0,9% injicerbar saltlösning.
- Leta upp portarna och prep över huden på djuret med isopropylalkohol våtservetter. Komma åt porten med en steril 25-gauge fjärilsnål fäst till en spruta fylld med steril injicerbar saltlösning.
OBS: Som beskrivits ovan, är portarna tunnlas subkutant till en position på den främre mittlinjen dorsum under expander placering. - Injicera den önskade mängden av saltlösning. Se anmärkning i början av detta avsnitt för inflations volymer injiceras vid varje steg i utvidgningsprocessen.
- Leta upp portarna och prep över huden på djuret med isopropylalkohol våtservetter. Komma åt porten med en steril 25-gauge fjärilsnål fäst till en spruta fylld med steril injicerbar saltlösning.
- Upprepa foto anskaffningssteg efter inflation.
- När inflations protokollet är klar euthanize djuren.
- administrera generalanestesi genom att leverera isofluran via mask ventilation efter ketamin / acepromazin induktion. Utvärdera anestesidjup genom att övervaka ögonlocksreflexer. Också, övervaka vitala tecken (hjärtfrekvens, kroppstemperatur, andningsfrekvens, och / eller svars att nypa med vävnads pincett).
- Euthanize djuret genom intravenös överdos av pentobarbital 90-100 mg / kg. Efter pentobarbital överdos för eutanasi, bekräftar döden genom frånvaron av detekterbar hjärtslag med hjälp av en pulsoximeter och puls palpation samt frånvaro av spontana andning.
3. Multi-view Stereo återuppbyggnad
- Använd en separat inköpt programvara för att ladda upp bildfiler och rekonstruera de geometriska modeller.
- Starta MVS programvaran på webbläsaren och logga in.
- Välj foto till 3D på det övre vänstra hörnet.
- Klicka på Lägg till foton, bläddra till platsen för imåldrar och manuellt välja de 30 fotografier som motsvarar en enda modell.
- Namnge modellen och klicka på Skapa
- Vänta modellen skapas. Detta kan ta flera minuter. Klicka instrumentpanelen till höger för att gå tillbaka till den ursprungliga målsidan av programvaran.
OBS! Instrumentbrädan visar representativa bilder av de geometriska modeller som har skapats av användaren. - Placera markören på den modell som just har skapats. Placera markören på det nedre högra hörnet av modellen bilden. Klicka nedladdningar och välj obj.
4. Spline Surface Fit
- Använd öppen källkod för att bearbeta de geometriska modeller.
- Klicka på Arkiv-> import-> obj att importera filen som genereras från MVS programmet. På botten av 3D-vyn klicka på View skuggning och select textur. Leta efter en flik till höger om 3D-vyn med undermenyer: omforma, Grease penna, View, 3D Penna, etc. Klicka på Skuggning och välj Shadeless.
- Högerklicka på geometrin för att välja den. På botten av 3D-vyn väljer Edit Mode för att visualisera den triangulära mesh.
- Välja en av en noderna på de 1 cm Beteckningar för måttband.
- För att välja en punkt, högerklicka på den och markera punkten. Koordinater för punkten visas på fliken på höger sida av 3D-vy. Markera och kopiera koordinaterna för den valda punkten till en textfil.
- Upprepa denna operation för alla punkter på 1 cm markeringarna på måttbandet.
- Gör detta för båda måttband. Exempel på koordinat textfiler är att ged: tape1.txt, tape2.txt.
OBS: Om det inte finns några noder i nätet på plats av intresse, dela nätet tills det finns en nod på den punkten av intresse. Att dela nätet välja de tre hörn i en triangel genom att trycka på Skift-tangenten och högerklicka på hörn. Klicka sedan på knappen Dela upp på fliken som visas på vänstra sidan av 3D-vy. Denna operation tillför ytterligare tre noder i den valda triangeln.
- Välja de punkter hos gallret 11 x 11 och lagra koordinaterna för de 121 poäng till en textfil i det mönster som visas i figur 1.
- Analogt med vad som gjordes för måttband, för att välja en punkt i rutnätet, högerklicka på den, kommer poängen att markeras. Koordinater för punkten visas på fliken på höger sida av 3D-vy. Markera och kopiera koordinaterna för den valda punkten till en textfil
OBS: Numreringen av rutnätspunkter är ALWays kaudalt rostralt och från den dorsala mittlinjen i riktning mot den ventrala regionen. Denna beställning garanterar att parameterrymden är konsekvent för alla två plåster. Som ett exempel, är filen gridReference.txt som innehåller koordinaterna för 121 punkter i en hudlapp anordnad.
- Analogt med vad som gjordes för måttband, för att välja en punkt i rutnätet, högerklicka på den, kommer poängen att markeras. Koordinater för punkten visas på fliken på höger sida av 3D-vy. Markera och kopiera koordinaterna för den valda punkten till en textfil
- Ladda ner, kompilera och installera C ++ spline bibliotek. Filen splineLibraryInstallation.txt innehåller länkar till källkoden för biblioteken spline och instruktioner för installation.
- Kompilera källkoden generateCurve.cpp att generera körbara generateCurve
OBS: Programmet generateCurve behöver bara sammanställas en gång. För att sammanställa denna C ++ källkod och skapa en körbar följ instruktionerna på toppen av källkoden filen generateCurve.cpp. - Använd program generateCurve att passa räfflor till måttband och rutnätspunkterna. För att köra den körbara i en Baska skal, typ
katalogen $ ./generateCurve- Vid kör programmet kommer den att be användaren att skriva in sökvägen till filen som innehåller koordinaterna för måttband. Därefter kommer programmet att be om ett namn för utdatafilen. Lägg avslutnings .g2 till filnamnet.
OBS: Avslutningen .g2 står för go verktyg och är associerad till biblioteken spline. Två exempel på spline-filer som motsvarar de måttband är tillgängliga med detta protokoll (tape1.g2, tape2.g2).
- Vid kör programmet kommer den att be användaren att skriva in sökvägen till filen som innehåller koordinaterna för måttband. Därefter kommer programmet att be om ett namn för utdatafilen. Lägg avslutnings .g2 till filnamnet.
- Använd Python script scalePoints.py att skala rutnätspunkter. Köra programmet i ett Bash skalprompten med tre argument: filnamnet på rutnätspunkterna och filnamnen räfflorna som motsvarar måttband
katalogen $ python scalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
OBS: Skriptet scalePoints.py importerar skripten B_spline.py och NURBS_Curv e.py därför alla tre skript måste vara i samma mapp. - Kompilera källkoden generateSurface.cpp att generera körbara generateSurface.
OBS: Detta steg behöver bara göras en gång. Mer detaljerade instruktioner finns i början av källkoden filen generateSurface.cpp. - Använd program generateSurface att passa en spline yta till rutnätspunkter. Kör körbara generateSurface på Bash skal
katalogen $ ./generateSurface- Köra programmet i ett skal kommer att be om filnamnet innehåller den skalade punkter. Så kommer det att fråga efter namnet på utdatafilen. Lägg avslutnings .g2 till utgången filnamnet.
OBS: Avslutningen .g2 föreslås av biblioteken spline och står för go verktyg. Filerna gridReference.g2 och gridDeformed.g2 tillhandahålls som exempel.
- Köra programmet i ett skal kommer att be om filnamnet innehåller den skalade punkter. Så kommer det att fråga efter namnet på utdatafilen. Lägg avslutnings .g2 till utgången filnamnet.
- Starta Python i Bash skalprompten
katalog $ Python
OBS: Python initierar tolken, vilket är ett gränssnitt som liknar skalet som kommer att visa en ny kommandoraden miljö >>> - Importera skriptet expansionIGA.py som innehåller en funktion som kallas evaluateMembraneIGA
>>> från expansionIGA import evaluateMembraneIGA - Anropa funktionen evaluateMembraneIGA att beräkna deformation kartor.
OBS: Denna funktion tar som argument:
Filnamnet på referensytan
Filnamnet på den deformerade ytan
Resolution av utvärderingen (hur många poäng utvärderas i varje riktning)
Minimivärdet för området stretch används för att skala konturen tomten
Maximalt värde av area stretch används för att skala konturplot
Minimivärde för sträckning i längdriktningen ossed att skala konturerna
Maximala värdet för sträckning i längdriktningen används för att skala konturerna
Minimivärde för sträckning i tvärriktningen används för att skala konturerna
Maximala värdet för sträckning i tvärriktningen används för att skala konturerna
Avståndet mellan rasterlinjer i konturplot
Utgångs filnamn- Till exempel kör
>>> evaluateMembraneIGA ( 'gridReference.g2', 'gridDeformed.g2', 250, 3, 0,5, 2, 0,5, 2, 0,5, 25, 'deformation')
OBS: Detta kommando kommer att generera och spara sex utdatafiler. Observera att det sista argumentet i exemplet ovan är utgångs filnamn deformation, alltså de filer som kommer att genereras är:
deformation_theta.png: kontur tomt på området stretch
deformation_theta.txt: tabell med värden som svarar mot konturkurva av area stretch
deformation_G1.png: konturkurva av sträck along längdaxel djuret
deformation_G1.txt: tabell med värden som svarar mot konturkurva av sträckor längs den longitudinella axeln hos det djur
deformation_G2.png: konturkurva av sträckkomponenten i den tvärgående axeln hos djuret
deformation_G2.txt: tabell med värden som svarar mot konturkurva av komponenten av sträckning i tvärgående axeln av djuret
OBS: Blanda inte ihop uppsägning av spline-filer, .g2, med vektor G2. Spline filer har sinande .g2 efter namngivning av spline biblioteket. Å andra sidan, den vektorer G1 och G2 betecknar de längsgående och tvärgående riktningar i förhållande till djuret.
OBS! Kontur filer skapas med olika egenskaper på de fyra hörnen för att underlätta tolkning av parameterrymden: svart pixel: de flesta stjärtfenan, mest ryggpunkten; Red pixel hörna: most rostralt, mest dorsala punkt; Grön pixel hörna: mest caudal, mest ventrala punkten; Blå pixel hörna: mest rostralt, mest ventrala punkt.
- Till exempel kör
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denna metod har framgångsrikt använts för att studera deformationen som induceras av olika expander geometrier: rektangel, sfär och crescent expandrar 31, 32. Resultaten motsvarar sfären och halvmåneexpansions diskuteras härnäst. Figur 2 illustrerar de tre stegen av MVS modell rekonstruktion. Utgångspunkten är en samling av fotografier från en statisk scen. Djuret med tatuerade galler och måttband låg stilla som fotografierna togs från olika vinklar. MVS algoritm matchade funktioner mellan fotografierna för att extrahera 3D-koordinater. Som ett resultat erhölls en geometrisk modell som består av ett triangulärt nät med struktur genereras.
Det protokoll som beskrivs här kan användas för att undersöka olika aspekter av expansionsvävnadsprocessen. variationernai regionala stammar inducerade av sfär och crescent expandrar är en viktig aspekt av expansionsprocessen, eftersom det leder till regionala variationer i mängden av huden odlas. Båda enheterna fylldes med samma volym vid varje tidpunkt. Fem inflations steg utfördes vid 0, 2, 7, 10, och 15 dagar för att generera fyllningsvolymer av 50, 75, 105, 165, och 225 cm ^. Figur 3 visar fotografier av de expanderade huden gallren vid slutet av varje uppblåsning steg. De expansions sträckte huden och deformationen var uppenbart genom den snedvridning av nätet över tid.
För varje konfiguration av nätet en spline yta alstrades såsom beskrivits i protokollet sektionen. Deformationer beräknades genom att välja en referens och en deformerad galler såsom visas i fig 1. Resultaten av två olika typer av analyser diskuteras här. För att studera kronisk deformation, var grisen på dag 0 valts som tHan refererar konfiguration och jämfört med alla andra tidpunkter. Jämföra slutet av varje inflation steg till de referens konfiguration resulterar i de konturdiagram som visas i figur 4. Metodiken som presenteras här extraherar tre mått deformation. Området förändringen betecknas θ, sträckningen i längdriktningen benämns λ G1, och λ G2 är sträckningen i tvärriktningen, såsom visas i figur 1. Progressionen av arean ändras och sträckningar i de två ortogonala riktningar för sfär och crescent expandrar är avbildade i Figur 4. Spline ytor är i huvudsak slät och därför de motsvarande konturdiagram var släta. Icke desto mindre, var grovheten för mask framgår av konturerna som visade spotfunktioner. En finare rutnät skulle öka trohet av deformationen kartor. Icke desto mindre är skillnaderna mellan olika expander geometrier var omedelbart apparent och kvantifierbar. Även om båda expandrar fylldes till samma volym, den sfäriska expandern inducerade en större deformation. Den rumsliga variationen av kontur tomter visade att huden sträcktes mer i mitten av expandern i förhållande till periferin av nätet. Resultaten är sammanfattade i tabell 1.
En andra analys bestod av att bestämma den akuta deformation vid varje uppblåsning steg. I detta fall, referenskonfigurationen var gallret precis före expansion, och den deformerade galler var att omedelbart efter uppblåsning steget. Deformationerna induceras vid varje inflation steg var påfallande lika i genomsnitt mellan olika tidpunkter. Sammanfattningen finns i tabell 2. I genomsnitt deformationen var nära 1 (där en skulle vara frånvaron av deformation). Inspektion av konturkartor som visas i figur 5 utställningsmonter uppenbara rumsliga variationer. Även om det fanns nästan ingen deformation i genomsnitt, några zoner av nätet sträckt medan andra krympt i förhållande till referensen. I likhet med analysen av den kroniska deformation, mittområdena var de sträcks mest.
I både de akuta och kroniska fall, längsgående och tvärgående sträckor visade en klar trend som indikerar anisotropi. Hud, eftersom de flesta kollagena vävnader, visar en föredragen fiberorientering som bidrar till en anisotrop mekanisk respons 25. I fallet med huden på baksidan av en gris, fibrer tros vara inriktade på tvären 33. Våra experiment visade att under expansion hud, de sträckor i de längsgående riktningar var alltid större än de utmed den tvärgående riktningen. Detta gällde både för sfären och halvmåne expansions, vid alla tidpunkter, och för akut och kronisk deformation contours. Detta resultat stöder hypotesen att huden anisotropi kan påverka deformationer som induceras under ett vävnadsexpansion förfarande.
Figur 1: Grid Konfigurationer och parameterrymden. Galler är tatuerade på ryggen av djuren och fotograferades med måttband på plats för att skala geometriska modeller (överst). Deformation mellan en referens och en deformerad konfiguration kännetecknas av tre variabler: område ändring ö, längsgående, töjningsreglerande λ G1, och tvärgående töj λ G2 (överst). Gallret är konsekvent parametriseras genom numrering av punkter alltid från kaudalt rostralt och från rygg till ventrala riktningar (nere till vänster). Utgången av analysen är en konturdiagram över parameterrymden. Konturerna är märkta vid hörnen med en pixel som takes färgen svart, rött, grönt, och blått, för att underlätta identifiering av caudal, rostralt, dorsala och ventrala sidor (nederst till höger). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Multi-view Stereo Rekonstruktion av en expansionsprocess. MVS är en algoritm från datorseende som tar som ingångs fotografier från olika vinklar med okända kamerapositioner (till vänster). Algoritmen matchar funktioner över bilderna för att hitta 3D koordinater (Center). Utsignalen från algoritmen är en triangulär maska med textur överlagrad (höger). (Figur anpassat med tillstånd från 31) Klickahär för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Expansion av Sphere och Crescent Expander. Sfär (övre raden) och halvmåne (nedre raden) expandrar placerades under den tatuerade huden på ryggen av en gris och blåses upp vid dagarna 0, 2, 7, 10, och 15 dagar för att generera fyllningsvolymer av 50, 75, 105, 165, och 225 cm ^. (Figur anpassat med tillstånd från 31). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Kronisk Deformation Induced av Sphere och Crescent Expander. De tatuerade gallren omvandlades till spline ytor för analys (rader 1 och 2).Tar hänvisningen till vara rutnätet på dag 0 var tre mått deformation beräknas. Område förändring uppvisade progressivt högre värden över tiden, med högre deformation i mittområdet för expandern, och högre deformation i sfären jämfört med månskäran (raderna 3 och 4). Längsgående sträckor (raderna 5 och 6) liknade i området sträckor medan tvärgående sträckor (rader 7 och 8) visade band av deformation och mindre sträckning jämfört med den längsgående riktningen. (Figur anpassat med tillstånd från 31) Klicka här för en större version av denna figur.
Figur 5: Akut Deformation inducerad av Sphere och Crescent Expanders. Tar som referens konfigurationen just före en uppblåsningssteget, och såsomdeformerade konfigurationen omedelbart efter injektion av lösningen in i en expander, var akuta deformationer beräknades. Deformation kartor var slät, dock några kanteffekter var märkbar och grovheten för diskretisering återspeglades i punktliknande mönster av deformation. förändringar området (raderna 1 och 2) visade regional variation, med högre stretch i den region som motsvarar expandern. Sträckor var likartad i de olika tidpunkter. Samma trend kunde ses för längsgående sträckor (raderna 3 och 4). Tvärgående sträckor (raderna 5 och 6) visade mer likformiga fördelningar och lägre värden jämfört med det längsgående fallet. (Figur anpassat med tillstånd från 31) Klicka här för en större version av denna figur.
| Tid [dagar] | Volym [cc] | Area förändring θ | Längsgående, töjningsreglerande λ G1 | Tvärgående töj λ G2 | |||||||
| max | min | avg | max | min | avg | max | min | avg | |||
| 0 | sfär | 50 | 1,44 | 0,71 | 0,98 | 1,37 | 0,76 | 1 | 1,17 | 0,84 | 0,97 |
| 0 | halvmåne | 50 | 1,46 | 0,76 | 0,98 | 0,79 | 1 | 1,17 | 0,84 | 0,98 | |
| 2 | sfär | 75 | 1,74 | 0,68 | 1,08 | 1,51 | 0,73 | 1,08 | 1,19 | 0,75 | 1 |
| 2 | halvmåne | 75 | 1,43 | 0,66 | 1 | 1,31 | 0,65 | 1 | 1,26 | 0,77 | 1 |
| 7 | sfär | 105 | 0,01 | 0,69 | 1,21 | 1,7 | 0,75 | 1,13 | 1,32 | 0,84 | 1,07 |
| 7 | halvmåne | 105 | 1,66 | 0,83 | 1,15 | 1,4 | 0,87 | 1,11 | 1,33 | 0,86 | 1,03 |
| 10 | sfär | 165 | 2,26 | 0,74 | 1,36 | 1,76 | 0,77 | 1,21 | 1,39 | 0,83 | 1,11 |
| 10 | halvmåne | 165 | 1,86 | 0,87 | 1,26 | 1,58 | 0,8 | 1,15 | 1,45 | 0,83 | 1,09 |
| 15 | sfär | 225 | 2,77 | 0,72 | 1,52 | 2,01 | 0,69 | 1,29 | 1,47 | 0,89 | 1,18 |
| 15 | halvmåne | 225 | 1,87 | 0,83 | 1,32 | 1,46 | 0,84 | 1,17 | 1,44 | 0,92 | 1,14 |
| 21 | sfär | 225 | 3,09 | 0,93 | 1,7 | 2,13 | 0,9 | 1,33 | 1,62 | 0,98 | 1,27 |
| 21 | halvmåne | 225 | 2,25 | 0,87 | 1,49 | 1,66 | 0,85 | 1,25 | 1,67 | 0,96 | 1,2 |
Tabell 1: Sammanfattning av kronisk Deformation. Stammar beräknades med den ursprungliga konfigurationen som referens och jämförelse plåstren vid slutet av varje uppblåsning steg i förhållande till den. Genomsnittet av deformationen skrivas den sfär expandern nådde 1,70 vid dag 21 medan månskäran expander deformeras 1,49 i area vid slutet av expansionen. Det fanns betydande rumslig variation och högsta och lägsta värden varierade i förhållande till genomsnittet. De längsgående sträckor nådde 1,33 och 1,25 för sfären och halvmåne expandrar respektive, medan tvärgående sträckor var lägre, med värden på 1,27 och 1,20. (Tabell anpassat med tillstånd från
INNEHÅLL" fo: keep-together.within-sida = '1'> Tabell 2:.. Sammanfattning av Akut Deformation Stammar beräknats med konfigurationen före expansion som referens och konfigurationen omedelbart efter uppblåsning steg såsom deformerade rutmönstret På genomsnitt, både sfär och crescent expandrar visade liknande tendenser, med värden nära ett, vilket skulle indikera ingen deformation. Men på grund av rumsliga variationer, mätte vi maximala förändringar i området var så hög som 1,60 för sfären och 1,50 för månskäran. den sträckor i de längsgående och tvärgående riktningar var anisotrop, med de maximala värdena för längsgående sträckor nästan alltid högre än de tvärgående sträckor. (tabell anpassat med tillstånd från 31) Tid [dagar] Expander Volym [cc] Area förändring θ Längsgående, töjningsreglerande λ G1 Tvärgående töj λ G2 max min avg max min avg max min avg 0 sfär 50 1,32 0,72 0,98 1,44 0,75 1 1,23 0,83 0,97 0 halvmåne 50 1,5 0,71 0,98 1,3 0,8 1 1,21 0,84 0,98 2 sfär 75 1,36 0,69 0,98 1,26 0,66 1 1,2 0,8 0,98 2 halvmåne 75 1,31 0,61 0,98 1,24 0,8 1,01 1,34 0,68 0,97 7 sfär 105 1,4 0,79 0,98 1,3 0,57 1 1,2 0,77 0,98 7 halvmåne 105 1,37 0,59 1 1,6 < / Td> 0,83 1,02 1,16 0,77 0,98 10 sfär 165 1,6 0,73 1,01 1,35 0,6 1,02 1,25 0,75 0,99 10 halvmåne 165 1,48 0,58 1,01 1,42 0,75 1,02 1,22 0,77 1 15 sfär 225 1,27 0,73 1,01 1,35 0,55 1,02 1,22 0,79 0,98 15 halvmåne 225 1,34 0,54 1,02 1,37 0,8 1,02 1,32 0,81 1
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Här presenterade vi ett protokoll för att karakterisera de deformationer som induceras under ett expansionsvävnadsförfarande i en grismodell med hjälp av multi-view-stereo (MVS) och isogeometric kinematik (IGA kinematik). Under expansion vävnad, undergår huden stora deformationer som går från en slät och relativt plan yta till en kupolliknande 3D-form. Hud, liksom andra biologiska membran 34, svarar för att sträcka genom att producera nytt material, ökar i området som kan därefter användas för rekonstruktiva ändamål 35. Därför är exakt bestämning av sträckan som produceras av en expander avgörande för att förstå de mekanismer som reglerar anpassningen av huden. Planerar en procedur expansion är utmanande eftersom vävnadsexpander finns i olika storlekar och former, är sträckan fördelningen inte är enhetlig över hela utökade området och det beror på plats och inflationstakten 11,ref "> 36. med ett protokoll för att noggrant uppskatta expansionen inducerad deformation och kan lösa stora stammar, 3D-former, och regionala variationer, öppnar nya vägar för att studera den mekaniska regleringen av hudtillväxt, och kan så småningom leda till kvantitativa preoperativa planeringsverktyg . Mot detta mål har vi utvecklat en icke-invasiv, prisvärd och flexibel metod för att mäta deformation i en grismodell av huden expansions 32.
kritiska steg
Djurmodeller för vävnadsexpansion har karakteriserats väl i mer än två decennier 37. Grishud visar jämförbara egenskaper för människors integument. Dessutom, hud expansion i grisar följer ett liknande förfarande som det skulle göras i människor 38. vävnadsexpansion Förfarandet är en hörnsten för att lyckas med detta protokoll. Erfarna kirurger, experter på vävnadsexpansion, utförde technique i djurmodell som presenteras här.
Hud är bekvämt exponeras för den yttre omgivningen och det är ett tunt membran, därför dess deformation kan kännetecknas av spårningspunkter på dess yta 17. MVS erbjuder en flexibel och prisvärd teknik för att studera 3D hud deformationer in vivo under långa tidsperioder. Denna algoritm tar som indata en uppsättning av fotografier från en statisk scen och använder funktionen matchning över fotografierna för att utvinna 3D koordinater. MVS återuppbyggnad och den efterföljande kinematiska analys kritiskt beror på foto förvärv steg i detta protokoll.
Ändringar och felsökning
Under expansion vävnad kan anordningen migrera bort från nätet på grund av att djurförflyttningar och lossnande av den ficka i vilken expandern ursprungligen placerats. Om expanderade området rör sig utanför nätet, bör expander tömmas och tas bort. denna problem har påträffats med användning av protokollet i en av åtta galler 31, 32. Expansions kan också läcka om de är defekta eller punkteras under uppblåsningen protokollet. Detta äventyrar också giltigheten av experimentet och säkerheten hos djuret, därför expandern bör tas bort. Detta problem har påträffats med hjälp av detta protokoll i en av åtta galler 31, 32.
MVS rekonstruktion kan vara en utmaning för vissa uppsättningar av fotografier på grund av ljuseffekter, brist på fokus, och bakgrundsbrus 23. Även om de kommersiella verktyg för MVS är kraftfulla, om resultaten inte är tillräckligt noggranna i början, har följande felsökningssteg alltid korrigerat problemet in på vår erfarenhet: manuellt ta bort bakgrunden i fotografierna; välja en delmängd av fotografier med skarpare fokus och kassera suddiga imagiker; manuellt välja matchande punkter över fotografier i kommersiell programvara gränssnitt.
Begränsningar av tekniken
Såsom diskuterats ovan, är porcint integument liknar mänsklig 38, icke desto mindre, finns det fortfarande skillnader. Därför är en porcin modell förväntas inte vara fullständigt förutsäga human vävnadsexpansionsprotokoll 37. En annan begränsning av protokollet är bristen på kommersiella verktyg eller användarvänlig mjukvara för att analysera de geometriska modeller. Närvarande, när väl geometrin genereras genom MVS, är den analys som utförs med intern kod som består av C ++ och Python skript. Å ena sidan är den föreslagna metoden kreativa och erbjuder ett prisvärt och bekvämt sätt att studera mekanismerna för mjuk vävnad under långa tidsperioder, är dataanalysen beroende av teknik som endast har varit populär under det senaste decenniet 27. att omständigventilera denna begränsning, ger vi vårt genomförande av spline subrutiner med denna underkastelse. Ytterligare en begränsning är begränsningen av en tatuerad galler i syfte att spåra kroniska deformationer. Behovet av en tatuerad galler hindrar översättningen av protokollet till kliniska miljöer.
Betydelsen av tekniken med avseende på befintliga / alternativa metoder
För närvarande läkare förlitar sig främst på sina erfarenheter under preoperativ planering av expansionsförfaranden vävnad, vilket har lett till ett stort antal godtyckliga protokoll som ofta skiljer sig kraftigt 13, 14, 15. Det protokoll som presenteras här adresserar existerande kunskapsluckor genom att kvantifiera expansionen inducerad deformation i en porcin djurmodell av vävnadsexpansion. Till författarens kunskap, är detta det första protokollet att kvantifiera kontinuerliga deformation kartor på ansenliga fläckar på huden vävnad <sup class = "xref"> 31, 32.
Protokollet är innovativ, icke-invasiv, prisvärd och flexibel; Det bygger på den senaste utvecklingen inom datorseende algoritmer såsom MVS, och numerisk analys som IGA kinematik. MVS har avancerat intensivt under det senaste decenniet och nådde återuppbyggnads fel så låga som 2% 24. Ökningen av inköpt programvara samt öppen källkod framhäver hög popularitet med denna metod 41. MVS är överkomligt eftersom det kräver bara en digitalkamera och fotografier är tagna utan kalibrering av kamerapositionen. I motsats, andra tekniker, såsom stereo rekonstruktion kräver ytterligare hårdvara för att styra platsen för kameran 17. MVS är flexibel eftersom den kan utföras på en mängd olika scenarier så länge fotografier kan tas från olika vinklar. Detta är en funktion som blir mer releVant när man överväger en potentiell klinisk tillämpning. I motsats, andra tekniker, såsom rörelsespårning kräva en särskild installation och kan inte utföras på ett godtyckligt läge 18. Ytterligare en egenskap hos MVS är produktionen av 3D-geometrier. Andra tekniker, såsom digital bild korrelation (DIC), är föredragna för 2D motion tracking 39. De resultat som presenteras här utställningsmonter förmåga kommersiella algoritmer för att troget rekonstruera 3D-former inducerade under expansion vävnad.
Från 3D-geometrier, deformationer måste beräknas. Detta protokoll förlitar sig på användningen av spline Ytan IGA kinematik. Splines är användbara eftersom några kontrollpunkter parametrisera släta geometrier med hög kontinuitet som behövs för analys av tunna membran 40. Den största fördelen med räfflor i denna ansökan är föreställningen om en parametrisk utrymme. Andra tekniker, såsom finita eleningar, saknar en global parameter domän. Medan detta är praktiskt för vissa problem såsom simulering av oregelbundna fläckar (till exempel fläckar med hål), som har en explicit parametrisering tillåter bestämning av sträckor mellan två godtyckliga konfigurationer i ett okomplicerat sätt. Till exempel har två olika analyser visas här: kroniska och akuta deformationer. För att beräkna påfrestningarna i näten med detta protokoll är tillräckligt för att ge räfflorna på de två ytorna av intresse eftersom alla ytor har samma parameter domän.
Under expansion vävnad, svarar huden att den applicerade deformationen genom att växa i ytarea, producera ny integument som sedan kan användas för rekonstruktiv kirurgi. Karakterisera kliniskt relevanta deformationer av huden över långa tidsperioder kan förbättra vår förståelse av mechanobiology av detta organ samt möjliggöra utveckling av kvantitativa preoperativa verktyg. Protokollet beskrivet hennee tar specifikt behov av en experimentell design med potential översättning till klinisk miljö.
Framtida tillämpningar eller riktningar efter Mastering denna teknik
Den källkod som används i detta protokoll kan lätt anpassas till andra tillämpningar och skulle kunna införlivas i mer användarvänliga implementeringar. Försedd med detta papper är rutiner för att utvärdera spline basfunktioner, parametrisera kontinuerliga fält över spline ytor, integrerar dessa kontinuerliga fält, och beräkna deformations- gradienter, membran och böjnings stammar. Vi förväntar oss att denna källkoden kommer att fortsätta att utvecklas mot ett verktyg som kan eventuellt användas i verkliga kliniska tillämpningar av vävnadsexpansion samt aktivera andra program. En annan framtida arbetsområde är förfining av detta protokoll för att ta hänsyn till mekaniska egenskaper och spänningar i vävnaden och inte bara kinematik.
Frabout en kliniskt relevant perspektiv är detta protokoll kan kvantifiera regionala variationer av vävnad deformation, liksom skillnader mellan olika expander former och inflation 31, 32. Det krävs ytterligare arbete för att fortsätta att utvärdera effekten av olika expansionsparametrar på vävnaden svar. Dessutom ytterligare förfining av porcin modell med betoning på de biologiska mekanismerna för anpassning kan hjälpa belysa grundläggande mekanismer som reglerar huden anpassning till överanstränga. Det slutliga målet är att validera protokollet i en grismodell för att översätta det till den kliniska inställningen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Sthe Författarna har ingenting att lämna ut.
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
- Gosain, A. K., Zochowski, C. G., Cortes, W. Refinements of tissue expansion for pediatric forehead reconstruction: a 13-year experience. Plast Reconstr Surg. 124, 1559-1570 (2009).
- Neumann, C. G. The expansion of an area of skin by progressive distention of a subcutaneous balloon: Use of the Method for Securing Skin for Subtotal Reconstruction of the Ear. Plast Reconstr Surg. 19, 124-130 (1957).
- De Filippo, R. E., Atala, A. Stretch and growth: the molecular and physiologic influences of tissue expansion. Plast Reconstr Surg. 109, 2450-2462 (2002).
- Buganza Tepole, A., Joseph Ploch, C., Wong, J., Gosain, A. K., Kuhl, E. Growing skin: A computational model for skin expansion in reconstructive surgery. J Mech Phys Solids. 59, 2177-2190 (2011).
- LoGiudice, J., Gosain, A. K. Pediatric Tissue Expansion: Indications and Complications. J Craniofac Surg. 14, 866-866 (2003).
- Rivera, R., LoGiudice, J., Gosain, A. K. Tissue expansion in pediatric patients. Clin Plast Surg. 32, 35-44 (2005).
- Marcus, J., Horan, D. B., Robinson, J. K. Tissue expansion: Past, present, and future. J Am Acad Dermatol. 23, 813-825 (1990).
- Patel, P. A., Elhadi, H. M., Kitzmiller, W. J., Billmire, D. A., Yakuboff, K. P. Tissue expander complications in the pediatric burn patient: a 10-year follow-up. Ann Plast Surg. 72, 150-154 (2014).
- Pietramaggiori, G., et al. Tensile Forces Stimulate Vascular Remodeling and Epidermal Cell Proliferation in Living Skin. Ann Surg. 246, 896-902 (2007).
- Khalatbari, B., Bakhshaeekia, A. Ten-year experience in face and neck unit reconstruction using tissue expanders. Burns. 39, 522-527 (2013).
- Brobmann, F. F., Huber, J. Effects of different-shaped tissue expanders on transluminal pressure, oxygen tension, histopathologic changes, and skin expansion in pigs. Plast Reconstr Surg. 76, 731-736 (1985).
- van Rappard, J. H., Molenaar, J., van Doorn, K., Sonneveld, G. J., Borghouts, J. M. Surface-area increase in tissue expansion. Plast Reconstr Surg. 82, 833-839 (1988).
- Pusic, A. L., Cordeiro, P. G. An accelerated approach to tissue expansion for breast reconstruction: experience with intraoperative and rapid postoperative expansion in 370 reconstructions. Plast Reconstr Surg. 111, 1871-1875 (2003).
- Schneider, M. S., Wyatt, D. B., Konvolinka, C. W., Hassanein, K. M., Hiebert, J. M. Comparison of Rapid Versus Slow Tissue Expansion on Skin-Flap Viability. Plast Reconstr Surg. 92, 1126-1132 (1993).
- Schmidt, S. C., Logan, S. E., Hayden, J. M., Ahn, S. T., Mustoe, T. A. Continuous versus conventional tissue expansion: experimental verification of a new technique. Plast Reconstr Surg. 87, 10-15 (1991).
- Buganza Tepole, A., Gart, M., Purnell, C. A., Gosain, A. K., Kuhl, E. Multi-view stereo analysis reveals anisotropy of prestrain, deformation, and growth in living skin. Biomech Model Mechanobiol. 14, 1007-1019 (2015).
- Tonge, T. K., Atlan, L. S., Voo, L. M., Nguyen, T. D. Full-field bulge test for planar anisotropic tissues: Part I-Experimental methods applied to human skin tissue. Acta Biomater. 9, 5913-5925 (2013).
- Park, S. I., Hodgins, J. K. Capturing and animating skin deformation in human motion. ACM Trans Graph. 25, 881-881 (2006).
- Rausch, M. K., et al. In vivo dynamic strains of the ovine anterior mitral valve leaflet. J Biomech. 44, 1149-1157 (2011).
- Leyva-Mendivil, M. F., Page, A., Bressloff, N. W., Limbert, G. A mechanistic insight into the mechanical role of the stratum corneum during stretching and compression of the skin. J Mech Behav Biomed Mater. 49, 197-219 (2015).
- Buganza Tepole, A., Kabaria, H., Bletzinger, K. -U., Kuhl, E. Isogeometric Kirchhoff-Love shell formulations for biological membranes. Comput Methods Appl Mech Eng. 293, 328-347 (2015).
- Prot, V., Skallerud, B., Holzapfel, G. A. Transversely isotropic membrane shells with application to mitral valve mechanics. Constitutive modelling and finite element implementation. Int J Num Meth Eng. 71, 987-1008 (2007).
- Seitz, S. M., Curless, B., Diebel, J., Scharstein, D., Szeliski, R. A comparison and evaluation of multi-view stereo reconstruction algorithms. Proc IEEE CVPR. 1, 519-528 (2006).
- Furukawa, Y., Ponce, J. Dense 3D motion capture for human faces. 2009 IEEE CVPR. , (2009).
- Jor, J. W. Y., Nash, M. P., Nielsen, P. M. F., Hunter, P. J. Estimating material parameters of a structurally based constitutive relation for skin mechanics. Biomech Model Mechanobiol. 10, 767-778 (2010).
- Weickenmeier, J., Jabareen, M., Mazza, E. Suction based mechanical characterization of superficial facial soft tissues. J Biomech. 48, 4279-4286 (2015).
- Hughes, T. J. R., Cottrell, J. A., Bazilevs, Y. Isogeometric analysis: CAD, finite elements, NURBS, exact geometry and mesh refinement. Comput Methods Appl Mech Eng. 194, 4135-4195 (2005).
- Echter, R., Oesterle, B., Bischoff, M. A hierarchic family of isogeometric shell finite elements. Comput Methods Appl Mech Eng. 254, 170-180 (2013).
- Benson, D. J., Hartmann, S., Bazilevs, Y., Hsu, M. C., Hughes, T. J. R. Blended isogeometric shells. Comput Methods Appl Mech Eng. 255, 133-146 (2013).
- Chen, L., et al. Explicit finite deformation analysis of isogeometric membranes. Comput Methods Appl Mech Eng. 277, 104-130 (2014).
- Buganza Tepole, A., Gart, M., Purnell, C. A., Gosain, A. K., Kuhl, E. The Incompatibility of Living Systems: Characterizing Growth-Induced Incompatibilities in Expanded Skin. Ann Biomed Eng. 44, 1734-1752 (2016).
- Buganza Tepole, A., Gart, M., Gosain, A. K., Kuhl, E. Characterization of living skin using multi-view stereo and isogeometric analysis. Acta Biomater. 10, 4822-4831 (2014).
- Rose, E. H., Ksander, G. A., Vistnes, L. M. Skin tension lines in the domestic pig. Plast Reconstr Surg. 57, 729-732 (1976).
- Rausch, M. K., Kuhl, E. On the mechanics of growing thin biological membranes. J Mech Phys Solids. 63, 128-140 (2014).
- Argenta, L. C. Controlled tissue expansion in reconstructive surgery. Br J Plast Surg. 37, 520-529 (1984).
- Hudson, D. Maximising the use of tissue expanded flaps. Br J Plast Surg. 56, 784-790 (2003).
- Bartell, T. H., Mustoe, T. A. Animal models of human tissue expansion. Plast Reconstr Surg. 83, 681-686 (1989).
- Belkoff, S. M., et al. Effects of subcutaneous expansion on the mechanical properties of porcine skin. J Surg Res. 58, 117-123 (1995).
- Ni Annaidh, A., Bruyère, K., Destrade, M., Gilchrist, M. D., Otténio, Automated estimation of collagen fibre dispersion in the dermis and its contribution to the anisotropic behaviour of skin. Ann Biomed Eng. 5, 139-148 (2012).
- Kiendl, J., Bletzinger, K. U., Linhard, J., Wüchner, R. Isogeometric shell analysis with Kirchhoff-Love elements. Comput Methods Appl Mech Eng. 198, 3902-3914 (2009).
- Changchang, W. VisualSFM: A Visual Structure from Motion System. , Available from: http://ccwu.me/vsfm/index.html (2011).
