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Method Article
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.
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.
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.
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.
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.
3. Multi-vista estéreo Reconstrução
4. Fit Superfície Spline
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 ...
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 se...
Sthe autores não têm nada a divulgar.
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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