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要約

このプロトコルは、手頃な価格で、外科的設定に調整可能な製造、写真の未較正配列のうちの3次元（3D）モデルを生成する多視点ステレオを使用します。 3Dモデルとの間の歪みマップは、同じパラメータを共有粗いメッシュ上に滑らかな表面の表現を容易にするスプラインベースisogeometric運動で定量化されます。

要約

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.

概要

組織拡張は、大きな皮膚欠陥1の補正のためにin vivoで皮膚を成長プラスチックおよび再建手術における一般的な技術です。ノイマンは、1957年に、この手順を文書化する最初の外科医でした。彼は患者の皮膚の下にバルーンを移植し、新たな組織を成長させ、耳2を再浮上するために数週間の期間をかけて徐々にそれを膨らませます。皮膚、ほとんどの生物学的組織のように、機械的恒常性に到達するために加えられた力と変形に適応します。生理的な政権を超えて伸ばしたとき、皮膚は3、4を成長します。組織膨張の中心の利点の一つは、周辺組織5として適切な血管新生と同じヘアベアリング、機械的特性、色、およびテクスチャと皮膚の製造です。

60年前、その導入後、皮膚expansionが広くプラスチックおよび再建外科医によって採用されており、現在火傷を補正するために使用される、大先天性欠損、および乳房切除6後の乳房再建、7。しかし、その広範な使用にもかかわらず、皮膚の拡張手順は合併症8につながることができます。これは、一部の手順の基本的なメカノを理解し、術前計画9、10中に外科医を誘導するために必要な十分な定量的な証拠が不足しているためです。この技術における重要なパラメータは、インフレあたりの体積、膨張機の形状及びサイズの選択、デバイス11,12の配置を充填、充填率です。現在の術前計画は、多くの場合、greatlを異なる任意のプロトコルの多種多様で、その結果、医師の経験に大きく依存していますY 13、14、15。

現在の知識のギャップに対処するために、我々は、組織拡張のブタ動物モデルにおいて膨張による変形を定量化するための実験プロトコルを提示します。プロトコルは、未知のカメラ位置で2次元（2D）画像のシーケンスから3次元（3D）ジオメトリを再構成するマルチビューステレオ（MVS）の使用に依存しています。スプライン用い、滑らかな表面の表現はisogeometric（IGA）の記述によって、対応する変形マップの計算につながります。幾何学の分析は、明示的パラメータ16を有する膜の連続体力学の理論的枠組みに基づいています。

長期間にわたって生活の物質の生理的に関連する変形を特徴づけることはまだ困難な問題が残っています。以下のための共通の戦略生体組織のイメージングは、立体デジタル画像相関、反射性マーカーを有する市販のモーションキャプチャシステム、及び複葉ビデオ透視17、18、19を含みます。しかし、これらの技術は、制限的実験を必要とし、一般的に高価であり、主にex vivoでまたはin vivoの設定で 、急性のために使用されています。皮膚が薄い構造であるという利点を有しています。それはいくつかの層から成っていても、真皮は、組織の機械的特性の大きな原因であり、したがって表面の変形が最も重要20です。合理的な運動学的な仮定は、平面変形21、22のうちについて行うことができます。また、皮膚はすでにそれは可能そのジオメトリをキャプチャするために、従来のイメージングツールを使用すること、外部環境にさらされています。 HERE我々は、組織拡張プロトコルにすぎなかっ干渉することなく、数週間にわたって皮膚のin vivoでの変形を監視するための手頃な価格で柔軟なアプローチとしてMVSの使用を提案しています。 MVSは、23角未知のカメラで2D画像の集合からオブジェクトまたはシーンの3次元表現を抽出する手法です。唯一の最後の3年間で、いくつかの商用コードが（例のための材料のリストを参照）登場しています。 MVSとモデル再構築の高い精度は、2％の24と低いエラーで、長期間にわたって、インビボでの皮膚の動特性解析のために、このアプローチが適したものとなります。

組織拡張中に皮膚の対応する変形マップを得るために、任意の二つの幾何学的構成との間の点が一致しています。従来、計算生体力学の研究者は、変形マップを取得するために、有限要素メッシュと逆解析を使用していました25、26。ここで使用IGAアプローチは、薄い膜27、28の分析のためにいくつかの利点を提供スプライン基底関数を使用します。すなわち、高次多項式の利用可能性は、非常に粗いメッシュ29、30と滑らかな幾何学的形状の表現を容易にします。さらに、一致しない離散化を考慮して逆問題の必要性を回避するすべての表面パッチに同じ基礎パラメータをフィットさせることができます。

ここで説明する方法は、長期間にわたって生体内の設定に関連して、皮膚の力学を研究するための新しい道を開きます。また、我々は我々の方法論は、臨床現場でパーソナライズされた治療計画のための計算ツールを開発するという究極の目標に向けた有効なステップであることを期待しています。

プロトコル

このプロトコルは、動物実験を必要とします。プロトコルは、動物の人道的な治療を保証するために、アンとシカゴ研究センター動物実験委員会のロバート・H・ルーリー小児病院のIRBによって承認されました。このプロトコルを使用して2つの拡張研究の結果は、他の場所で16、31公開されています。

このプロトコルの実行は、補完的な専門知識を持つチームが必要です。プロトコルの最初の部分は、適切な医療訓練を受けた人員を必要とする、動物モデルに外科的処置を記載しています。その後の分析、特にセクション4及び5は、基本的なコンピュータプログラミングC ++とPythonのスキル、およびコマンドライン・シェルの使用を含みます。

パンダの配置のための1の外科的処置

注：操作に関与人事は、スクラブ、滅菌方法でgownedする必要があります。 Steril電子タオルやカーテンは、無菌性を維持するために、手術野の周囲に適用されます。すべての楽器、縫合糸、および組織拡張器は、無菌包装で受信のみ無菌担当者によって処理されます。手続きが完了するまで、手術部位の無菌性は、これを侵してはなりません。

  1. 1週間の標準的な住宅への1ヶ月齢のオスユカタンミニブタを順応させ、そして自由に食べます。
  2. メンテナンスのために、次いで、イソフルラン、 - （6ミリグラム/ kgの4）手術の日に、誘導のためのケタミン/アセプロマジンを用いて動物を麻酔。眼瞼反射を監視することにより、麻酔の深さを評価します。また、バイタルサイン（心拍数、体温、呼吸数、および/または組織鉗子でつまんする応答）を監視します。角膜擦り傷から保護するために、目に眼軟膏を適用します。
  3. 事前手続き抗生物質の管理およびクロルヘキシジンベースの外科石鹸で背部皮膚をきれいに。転送4 10×10cm 2つのグリッドの各側の2つの入れ墨伝達媒体を使用してブタの皮膚に1cmのラインマーキング動物。左吻側、右吻側、左尾側、及び右尾：グリッドは、次の4つの領域に対応します。グリッドパターンの対称配置を確保するために正中参照してテンプレートを使用してください。
    1. グリッドをトレースすることにより、紙の上のグリッドを作成し、ボールペンで多額の概要を説明します。グリッドは、イソプロピル消毒用アルコールで配置されるべき動物上の領域を洗います。
    2. 直接肌の上にグリッド（ダウンペンインク側）を適用します。アルコールは動物の皮膚にグリッドを移し、紙のオフインクの一部をリーチするのに役立ちます。
  4. 各計画の切開部位で皮下：局所麻酔薬（エピネフリン10万1と1％リドカイン）を注入します。
  5. 2つのグリッド間の中間点で動物のどちらかの側での切開を行います。
    注：切開は上2つのグリッドとの間の動物の左右側に配置されていますその側。左サイドの切開と右サイドの切開があります
  6. 関心のグリッドの下に皮下トンネルを開発するための止血剤を使用してください。トンネルを現像した後、グリッドの下の膨張を挿入します。
    注：トンネルは、組織拡張器を持つことになります任意のグリッドの下に配置されています。
  7. 動物の背側正中線に沿って同様の方法で開発皮下トンネルを通してリモートパンダ膨張用ポートを配置します。縫合によって傷を修復します。
  8. 動物の苦痛の徴候のために利用可能な追加の用量で、4つの用量についての筋肉内注射を介して12時間毎に - （0.1ミリグラム/ kgのブプレノルフィン0.05）術後、予防的抗生物質を動物（セフチオフルに5mg / kgのIM回）ならびに鎮痛薬の治療。
  9. 彼らは歩行を再開し、正常体温を維持することができるまで、バイタルサインのルーチン測定を含む、術後2時間連続して動物を観察します。ハウス別々のケージ内の動物とモニタIまでtは、通常の住宅エリアに戻ってそれを転送し、無人、それを離れる前にすべての4本足で独立して歩くことができます。
  10. 即時麻酔後の回復期間の後、創傷治癒を評価するために動物を毎日チェック。術後14日縫合糸を外します。これらの切開部は、ドレッシングを必要としません。展開を開始する前に、4週間 - 3用癒すために切開を残します

2.インフレプロトコル

注：各エクスパンダに用いられる溶液のinflationsと量のタイミングが検討されて特定の質問に依存します。別エキスパンダージオメトリの効果を特徴づけるために、適切なプロトコルは、それぞれ50、75、105、165、225 CCの充填容量を達成するために、0、2、7、10、および15日目に5つの膨張ステップを実行することです。

  1. 80μgの/ kgの - 20に - （6ミリグラム/ kgの4）及びデクスメデトミジン、各膨張工程の前に、ケタミンを投与する動物を鎮静。
    注：デクスメデトミジンがあります（1：1体積：1体積）アチパメゾールと逆にすることができるn個のアルファ - アドレナリンアゴニストより速い回復を容易にします。動物は、動物またはハンドラに害の過度のリスクなしに膨張を許容するが、鎮静のこのレベルは適切ではないかもしれません。このような場合は、ケタミン/アセプロマジンの誘導後のマスク換気を経由してイソフルランを提供することで、全身麻酔を管理します。
  2. 手術用テープを用いて動物の皮膚に2つのプラスチックフレキシブルテープ措置を取り付けます。左右のグリッド間の巻尺を置きます。
  3. 一方の側に動物を配置し、できるだけ多くの異なる角度からのシーンの30枚の写真を取得します。
    注：目的は、動物は、一方の側に敷設されたときに目に見える2つのグリッドの幾何学的形状を捕捉することです。
    1. まず、入れ墨グリッドが完全に表示されているショットをキャプチャして、フレームを満たすために、動物の上にカメラを配置し、尾側に傾い。
    2. M道に沿って写真を撮る吻側方向に尾からアーチ動物の周りに円形パターンでOVE、すべての写真のために、表示されている入れ墨グリッドが完全にフレームに表示される、ことを保証します。
      1. 同時に、グリッドがフレーム内に占めるスペースを最大にしよう。理想的なショットが入れ墨グリッドと背景のわずかな領域と動物の背中をキャプチャします。
    3. 次に、約地面に平行と腹側から背側領域にアーチに写真を撮影された撮影角度を捕捉するために腹側にカメラを位置決めします。
      注：写真の量は固定値ではありません。良好な再構成のために、入れ墨グリッド上の全ての点は、少なくとも3枚の写真であるべきです。合計で30枚の写真は、成功したジオメトリ再構成のために十分な量です。
  4. 反対側に動物を配置し、両者の30枚の写真を撮ります上記概説したものと同じ手順に従って、残りのグリッド。
  5. リモート充填ポートを見つけ、関心の拡張プロトコルに対応する食塩水の必要量を注入することにより、膨張工程を行います。無菌の0.9％注射用生理食塩水を使用してください。
    1. イソプロピルアルコールワイプで動物の皮膚の上のポートと準備を探します。滅菌注射用生理食塩水で充填された注射器に取り付けられた無菌の25ゲージのバタフライ針をポートにアクセスします。
      注：上記のように、ポートは、エキスパンダの配置時前方正中線背部上の位置に皮下トンネルされます。
    2. 生理食塩水の所望量を注入します。展開プロセスの各段階で注入インフレボリュームについては、このセクションの冒頭でノートを参照してください。
  6. 膨張後の写真の取得手順を繰り返します。
  7. インフレプロトコルが完了したら、動物を安楽死させます。
    1. 一般の管理ケタミン/アセプロマジンの誘導後のマスク換気を経由してイソフルランを提供することにより麻酔。眼瞼反射を監視することにより、麻酔の深さを評価します。また、バイタルサイン（心拍数、体温、呼吸数、および/または組織鉗子でつまんする応答）を監視します。
    2. 100mg / kgの - ペントバルビタール90の静脈内過剰投与により動物を安楽死させます。安楽死のためのペントバルビタールの過剰摂取に続いて、パルスオキシメータおよびパルス触診だけでなく、自発的な呼吸の不在を用いて検出ハートビートの欠如による死亡を確認。

3.マルチビューステレオ復興

  1. 画像ファイルをアップロードし、幾何学的モデルを再構築するために、市販のソフトウェアを使用してください。
    1. ブラウザ上でMVSソフトウェアを起動し、ログインします。
    2. 左上隅に3Dに写真を選択します。
    3. 、 写真を追加クリックしてIMの場所を参照します年齢、手動単一のモデルに対応する30枚の写真を選択します。
    4. モデルに名前を付け、[ 作成 ]をクリックします
    5. モデルが作成されるのを待ちます。これには数分かかることがあります。ソフトウェアの元のランディングページに戻ります右側のダッシュボードをクリックしてください。
      注：ダッシュボードは、ユーザーによって作成された幾何学的モデルの代表的な画像を示しています。
    6. 先ほど作成されたモデルにカーソルを置きます。モデル画像の右下隅にカーソルを置きます。 ダウンロードをクリックして、OBJを選択します。

4.スプラインサーフェスフィット

  1. 幾何学的モデルを処理するためのオープンソースソフトウェアを使用してください。
  2. MVSソフトウェアから生成されたファイルをインポートするには[ファイル] - > [Import-> OBJをクリックします。 3Dビューの下部にビューポートのシェーディングとSELEをクリックしてくださいCT テクスチャ 。 トランスフォーム 、 グリース鉛筆 、 ビュー 、3D鉛筆 など シェーディングをクリックしShadelessを選択：サブメニューと3Dビューの右側のタブを探します。
  3. 右のそれを選択し、ジオメトリをクリックしてください。 3Dビューの下部にある三角形メッシュを視覚化するために編集モードを選択します。
  4. 巻尺の1cmのマーキングに1つのノードずつを選択します。
    1. ポイントを選択するには、それを右クリックして、ポイントを強調表示します。ポイントの座標は、3Dビューの右側のタブに表示されます。テキストファイルに選択した点の座標を選択してコピーします。
    2. 巻尺の1cmのマーキング上のすべての点について、この操作を繰り返します。
    3. 両方のテープ対策のためにこれを行います。テキストファイルを座標の例としては提供されていますD：tape1.txt、tape2.txt。
      注：注目点に、メッシュのノードがない場合は注目点のノードがあるまで、メッシュを細分化。メッシュは頂点のShiftキーと右クリックを押すことにより、三角形の3つの頂点を選択細分化します。そして、3Dビューの左側に表示されるタブに再分割ボタンをクリックします。この操作は、選択した三角形内部の3つの以上のノードを追加します。
  5. グリッドの11×11点を選択し、 図1に示すパターンでテキストファイルに121点の座標を保存します。
    1. 同様に、グリッドのポイントを選択するために、テープの対策のために行われたものに、それを右クリックし、ポイントが強調表示されます。ポイントの座標は、3Dビューの右側のタブに表示されます。テキストファイルに選択した点の座標を選択してコピー
      注：グリッド点の番号付けはALWです吻側へと腹地域への背側正中線からAYS尾。この順序は、パラメータ空間は、任意の2つのパッチのために一貫していることを保証します。一例として、皮膚パッチの121点の座標を含むファイルgridReference.txtが設けられています。
  6. ダウンロードし、コンパイルしてC ++スプラインライブラリをインストールします。ファイルsplineLibraryInstallation.txtは、インストールのためのスプラインライブラリと命令のソースコードへのリンクが含まれています。
  7. 実行generateCurveを生成するソースコードをコンパイルgenerateCurve.cpp
    注：プログラムgenerateCurveは、一度だけコンパイルする必要があります。このC ++ソースコードをコンパイルして実行ファイルを生成するには、ソースコードファイルgenerateCurve.cppの上部にある指示に従ってください。
  8. テープ措置へと格子点にスプラインにフィットするようにプログラムgenerateCurveを使用してください。 Bで実行可能ファイルを実行するには灰シェル、タイプ
    ディレクトリ$ ./generateCurve
    1. プログラムを実行すると、それは巻尺の座標を含むファイルへのパスを入力するようユーザーに求められます。そして、プログラムは、出力ファイルの名前を要求します。ファイル名に終了.g2を追加します。
      注：GOツールの略で、スプラインライブラリに関連付けられている.g2終了。テープ措置に対応するスプラインのファイルの2つの例は、このプロトコル（tape1.g2、tape2.g2）でご利用いただけます。
  9. 格子点をスケーリングするPythonスクリプトのscalePoints.pyを使用してください。 3つの引数を指定してBashシェルプロンプトでプログラムを実行します：グリッド点のファイル名とテープ措置に対応するスプラインのファイル名を
    ディレクトリ$ pythonのscalePoints.py gridReference.txt tape1.g2 tape2.g2
    注：このスクリプトscalePoints.pyはスクリプトB_spline.pyとNURBS_Curvをインポート e.py、したがって、すべての3つのスクリプトは、同じフォルダにある必要があります。
  10. 実行generateSurfaceを生成するソースコードをコンパイルgenerateSurface.cpp。
    注：この手順は一度だけ実行する必要があります。より詳細な手順は、ソースコードファイルgenerateSurface.cppの先頭でご利用いただけます。
  11. 格子点にスプライン曲面にフィットするようにプログラムgenerateSurfaceを使用してください。バッシュシェル上で実行可能generateSurfaceを実行します
    ディレクトリ$ ./generateSurface
    1. シェルでプログラムを実行すると、スケールドポイントを含むファイル名を要求します。そして、それは、出力ファイルの名前を要求します。出力ファイル名に終了.g2を追加します。
      注：終了.g2はスプラインライブラリによって提案し、Goツールを意味しています。ファイルgridReference.g2とgridDeformed.g2は、例として提供されています。
拡張による変形のitle "> 5。定量

  1. BashシェルプロンプトでのPythonを起動します
    ディレクトリ$パイソン
    注：Pythonは、新しいコマンドライン環境を表示しますシェルと同様のインタフェースである、インタプリタを初期化します>>>
  2. evaluateMembraneIGAと呼ばれる関数を含むスクリプトexpansionIGA.pyをインポート
    >>> expansionIGAインポートevaluateMembraneIGAから
  3. 変形マップを計算する関数evaluateMembraneIGAを呼び出します。
    注：この関数は、引数として取ります。
    基準面のファイル名
    変形した表面のファイル名
    評価の解像度（各方向に評価されるどのように多くの点）
    等高線図をスケーリングするために使用される領域のストレッチの最小値
    等高線図をスケーリングするために使用される面積延伸の最大値
    縦方向の延伸の最小値たち輪郭を拡大縮小する編
    輪郭を拡大縮小するために使用される長手方向の延伸の最大値
    輪郭を拡大縮小するために使用される横方向の延伸の最小値
    輪郭を拡大縮小するために使用される横方向の延伸の最大値
    等高線図のグリッド線の間隔
    出力ファイル名
    1. たとえば、実行
      >>> evaluateMembraneIGA（ 'gridReference.g2'、 'gridDeformed.g2'、250、3、0.5、2、0.5、2、0.5、25、 '変形'）
      注：このコマンドは、6つの出力ファイルを生成して保存します。上記の例の最後の引数は、出力ファイル名の変形であることに注意し、従って、生成されるファイルは次のとおりです。
      deformation_theta.png：面積延伸の等高線図
      deformation_theta.txt：面積延伸の等高線に対応する値の表
      deformation_G1.png：ストレッチALONの等高線図G動物の長手方向軸
      deformation_G1.txt：動物の長手方向軸線に沿ってストレッチの等高線に対応する値の表
      deformation_G2.png：動物の横軸の延伸成分の等高線
      deformation_G2.txt：動物の横軸の延伸の成分の等高線に対応する値の表
      注：ベクトルG2と、スプラインファイル、.g2の終了を混同しないでください。スプラインのファイルは、スプラインライブラリの命名規則次.g2を終了しました。一方、ベクトルG1及びG2は、動物に対して縦方向および横方向を示しています。
      注：輪郭ファイルは、パラメータ空間の解釈を容易にするために、四隅の異なる機能で生成されます：ブラックピクセル：ほとんどの尾、最も背のポイント;赤色画素コーナー：MOSトンの吻側、最も背のポイント;緑色画素コーナー：ほとんどの尾、最も腹側のポイント。青色画素コーナー：最も吻側、最も腹側のポイント。

結果

矩形、球及び三日月パンダ31、32：この方法は、正常別エキスパンダージオメトリによる変形を研究するために使用されてきました。球と三日月パンダに対応する結果が次に説明されます。 図2は、MVSモデル再構築の3つのステップを示しています。出発点は、静的なシーンからの写真のコレクションです。写真?...

ディスカッション

ここでは、マルチビューステレオ（MVS）とisogeometric運動（IGAキネマティクス）を用いて、ブタモデルにおける組織拡張手順の間に誘起される変形を特徴づけるためのプロトコルを提示します。組織拡張の間、皮膚はドーム状の立体形状に滑らかで比較的平坦な表面から行く大きな変形を受けます。皮膚は、他の生体膜34のように、その後、再建の目的35...

開示事項

STheの著者は、開示することは何もありません。

謝辞

This work was supported by NIH grant 1R21EB021590-01A1 to Arun Gosain and Ellen Kuhl.

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Yucatan miniature swineSinclair Bioresources, Windham, MEN/A
AntibioticsSanta Cruz Animal Health, Paso Robles, CAsc-362931RxCeftiofur, dosage 5 mg/kg intramuscular
Chlorhexidine-based surgical soapCardinal Health, Dublin, OHAS-4CHGL(4-32)4% chlorhexidine gluconate surgical hand scrub
Tattoo transfer medium Hildbrandt Tattoo Supply, Point Roberts, WATRANSFStencil thermal tattoo transfer paper
Lidocaine with epinephrineACE Surgical Supply Co, Brockton, MA001-1423Lidocaine Hcl 1% (Xylocaine) - Epinephrine 1:100,000, 20 mL
BuprenorphineZooPharm, Windsor, CO1 mg/mL sustained release, dosage 0.01 mg/kg intramuscular
Digital cameraSonyAlpha33Standard digital camera with 18 - 35 mm lens, 3.5 - 5.6 aperture. Used in automatic mode, no flash
Tape measureMedline, Mundelein, IllinoisNON171330Retractable tape measure, cloth, plastic case, 72 inches
Tissue expandersPMT, Chanhassen, MN03610-06-024 cm x 6 cm, rectangular, 120 cc, 3610 series 2 stage tissue expander with standard port
ReCap360AutodeskN/AMVS Software, Web application: recap360.autodesk.com
BlenderBlender FoundationN/AComputer Graphics Software, open source: blender.org
SISLSINTEFN/AC++ spline libraries, open source: https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/

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