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Method Article
Ce protocole utilise stéréo multi-vues pour générer des modèles en trois dimensions (3D) sur les séquences non étalonnées de photographies, ce qui rend abordable et ajustable pour un réglage chirurgical. Les cartes de tension entre les modèles 3D sont quantifiés avec une cinématique isogéométrique de splines, qui facilitent la représentation des surfaces lisses sur les mailles grossières partageant la même paramétrisation.
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.
L' expansion tissulaire est une technique courante en chirurgie plastique et reconstructive qui pousse la peau in vivo pour la correction de gros défauts cutanés 1. Neumann, en 1957, a été le premier chirurgien de documenter cette procédure. Il a implanté un ballon sous la peau d'un patient et gonflé progressivement sur une période de plusieurs semaines pour se développer de nouveaux tissus et refaire surface une oreille 2. Peau, comme la plupart des tissus biologiques, adapte aux forces et déformations appliquées afin d'atteindre l'homéostasie mécanique. Lorsqu'il est étiré au - delà du régime physiologique, la peau se développe 3, 4. L' un des avantages centraux de l' expansion des tissus est la production de la peau avec une bonne vascularisation et la même pileuse, les propriétés mécaniques, la couleur et la texture que le tissu environnant 5.
Après son introduction il y a six décennies, la peau Expansion a été largement adoptée par les chirurgiens plastique et reconstructive et est actuellement utilisé pour corriger les brûlures, les grandes malformations congénitales et pour la reconstruction mammaire après mastectomie 6, 7. Pourtant, en dépit de son utilisation généralisée, les procédures d'expansion de la peau peut entraîner des complications 8. Cela est dû en partie à l'absence de suffisamment de données quantitatives nécessaires pour comprendre la mécanobiologie fondamentale de la procédure et pour guider le chirurgien lors de la planification préopératoire 9, 10. Les paramètres clés de cette technique sont le taux de remplissage, le volume de remplissage par l' inflation, la sélection de la forme et la taille de l'extension et la mise en place du dispositif 11, 12. la planification préopératoire actuelle repose en grande partie sur l'expérience du médecin, ce qui dans une grande variété de protocoles arbitraires qui diffèrent souvent greatly 13, 14, 15.
Pour remédier aux lacunes des connaissances actuelles, nous présentons un protocole expérimental pour quantifier la déformation induite par l'expansion dans un modèle animal porcin de l'expansion des tissus. Le protocole repose sur l'utilisation de géométries stéréo multi-vue (MVS) à reconstruire en trois dimensions (3D) de séquences d'images en deux dimensions (2D), les positions de caméra inconnus. En utilisant des cannelures, de la représentation de surfaces lisses conduit au calcul des cartes de déformation correspondant au moyen d'une description isogéométrique (IGA). L'analyse de la géométrie est basée sur le cadre théorique de la mécanique des milieux continus des membranes ayant un paramétrage explicite 16.
Déformations physiologiquement pertinents caractérisant des matériaux vivants sur de longues périodes de temps reste un problème difficile. Les stratégies communes pourl' imagerie des tissus biologiques comprend la corrélation d'images numériques stéréoscopique, les systèmes de capture de mouvement commerciales avec des marqueurs réfléchissants, et biplan vidéo de fluoroscopie 17, 18, 19. Cependant, ces techniques nécessitent une installation expérimentale restrictive, sont généralement coûteux, et ont été principalement utilisés pour les ex vivo ou aiguë en milieu in vivo. La peau a l'avantage d'être une structure mince. Même si elle est constituée de plusieurs couches, le derme est en grande partie responsable des propriétés mécaniques du tissu et ainsi la déformation de la surface est d' une importance primordiale 20; hypothèses raisonnables peuvent être cinématiques faites en ce qui concerne la déformation de plan 21, 22. De plus, la peau est déjà exposée à l'environnement extérieur, ce qui permet d'utiliser des outils d'imagerie classiques pour capturer sa géométrie. Havant que nous vous proposons l'utilisation de MVS comme une approche flexible et abordable pour surveiller les déformations in vivo de la peau pendant plusieurs semaines sans interférer majorly avec un protocole d'expansion des tissus. MVS est une technique qui extrait des représentations 3D des objets ou des scènes d'une collection d'images 2D avec caméra inconnus angles 23. Seulement au cours des trois dernières années, plusieurs codes commerciaux sont apparus (voir la liste des matériaux pour des exemples). La grande précision de la reconstruction du modèle avec MVS, avec des erreurs aussi bas que 2% 24, rend cette approche appropriée pour la caractérisation cinématique de la peau in vivo sur de longues périodes de temps.
Pour obtenir les cartes de déformation correspondantes de la peau au cours de l'expansion des tissus, des points entre deux configurations géométriques sont adaptées. Classiquement, les chercheurs en biomécanique de calcul ont utilisé des maillages éléments finis et l'analyse inverse pour récupérer la carte de déformation25, 26. L'approche IGA employée ici utilise les fonctions de base spline qui offrent plusieurs avantages pour l'analyse des fines membranes 27, 28. A savoir, la disponibilité des polynômes de degré élevé facilite les représentations de géométries lisses , même avec des mailles très grossières 29, 30. De plus, il est possible d'adapter le même paramétrage sous-jacent à tous les patchs de surface, qui contourne la nécessité d'un problème inverse pour tenir compte de discrétisation qui ne correspondent pas.
La méthode décrite ici ouvre de nouvelles voies pour étudier la mécanique de la peau dans les paramètres pertinents dans vivo sur de longues périodes de temps. De plus, nous espérons que notre méthodologie est une étape permettant vers l'objectif ultime de développer des outils de calcul pour la planification de traitement personnalisé dans le cadre clinique.
Ce protocole implique l'expérimentation animale. Le protocole a été approuvé par la CISR de Ann et Robert H. Lurie Hôpital pour enfants de Chicago Centre de recherche et de protection des animaux Comité d'utilisation pour garantir le traitement humain des animaux. Les résultats de deux études d'expansion en utilisant ce protocole ont été publiés ailleurs 16, 31.
L'exécution de ce protocole requiert une équipe possédant une expertise complémentaire. La première partie du protocole décrit la procédure chirurgicale sur le modèle animal, ce qui nécessite du personnel avec la formation médicale appropriée. L'analyse ultérieure, en particulier les articles 4 et 5, impliquent des compétences en programmation informatique de base en C ++ et Python, et l'utilisation d'un shell de ligne de commande.
1. Procédure chirurgicale pour le placement Expander
NOTE: Le personnel impliqué dans l'opération doivent être frottées et toge de façon stérile. Sterilserviettes e et les rideaux sont appliqués dans le domaine chirurgical pour maintenir la stérilité. Tous les instruments, les sutures et extenseurs de tissus sont reçus dans un emballage stérile et manipulés que par du personnel stérile. Stérilité du site opératoire ne doit pas être violé jusqu'à ce que la procédure soit terminée.
2. Protocole d'inflation
NOTE: Le calendrier des inflations et la quantité de solution utilisée dans chaque extension dépend de la question spécifique à l'étude. Pour caractériser l'effet de différentes géométries d'extension, un protocole approprié consiste à effectuer cinq étapes de gonflage à 0, 2, 7, 10 et 15 jours pour réaliser le remplissage des volumes de 50, 75, 105, 165, et 225 cc, respectivement.
3. multivue Reconstruction stéréo
4. Spline Fit surface
Cette méthodologie a été utilisée avec succès pour étudier la déformation induite par différentes géométries d'extension: rectangle, sphère et extenseurs de croissant 31, 32. Les résultats correspondant aux extenseurs de la sphère et du croissant sont discutés à côté. La figure 2 illustre les trois étapes de reconstruction de modèle MVS. Le point de départ est une collection de photographi...
nous avons présenté un protocole pour caractériser les déformations induites lors d'une procédure d'expansion tissulaire dans un modèle porcin en utilisant stéréo multi-vues (MVS) et la cinématique isogéométrique (cinématique IGA). Au cours de l'expansion des tissus, la peau subit des déformations importantes allant d'une surface lisse et relativement plate à une forme de dôme 3D. Peau, comme les autres membranes biologiques 34, répond à étirer par la produ...
auteurs sLe ont rien à révéler.
This work was supported by NIH grant 1R21EB021590-01A1 to Arun Gosain and Ellen Kuhl.
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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