Name: quantification of strain in a porcine model of skin expansion using multi-view stereo and isogeometric kinematics
Uploaded: 2017-04-16T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Quantification of Strain in a Porcine Model of Skin Expansion Using Multi-View Stereo and Isogeometric Kinematics at JoVE.com

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

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 protoko...

<ol>
	<li>Gosain, A. K., Zochowski, C. G., Cortes, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Refinements+of+tissue+expansion+for+pediatric+forehead+reconstruction:+a+13-year+experience.">Refinements of tissue expansion for pediatric forehead reconstruction: a 13-year experience.</a> Plast Reconstr Surg. 124, 1559-1570 (2009).</li><li>Neumann, C. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Plast Reconstr Surg. 19, 124-130 (1957).</li><li>De Filippo, R. E., Atala, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stretch+and+growth:+the+molecular+and+physiologic+influences+of+tissue+expansion.">Stretch and growth: the molecular and physiologic influences of tissue expansion.</a> Plast Reconstr Surg. 109, 2450-2462 (2002).</li><li>Buganza Tepole, A., Joseph Ploch, C., Wong, J., Gosain, A. K., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growing+skin:+A+computational+model+for+skin+expansion+in+reconstructive+surgery.">Growing skin: A computational model for skin expansion in reconstructive surgery.</a> J Mech Phys Solids. 59, 2177-2190 (2011).</li><li>LoGiudice, J., Gosain, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pediatric+Tissue+Expansion:+Indications+and+Complications.">Pediatric Tissue Expansion: Indications and Complications.</a> J Craniofac Surg. 14, 866-866 (2003).</li><li>Rivera, R., LoGiudice, J., Gosain, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tissue+expansion+in+pediatric+patients.">Tissue expansion in pediatric patients.</a> Clin Plast Surg. 32, 35-44 (2005).</li><li>Marcus, J., Horan, D. B., Robinson, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tissue+expansion:+Past,+present,+and+future.">Tissue expansion: Past, present, and future.</a> J Am Acad Dermatol. 23, 813-825 (1990).</li><li>Patel, P. A., Elhadi, H. M., Kitzmiller, W. J., Billmire, D. A., Yakuboff, K. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tissue+expander+complications+in+the+pediatric+burn+patient:+a+10-year+follow-up.">Tissue expander complications in the pediatric burn patient: a 10-year follow-up.</a> Ann Plast Surg. 72, 150-154 (2014).</li><li>Pietramaggiori, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tensile+Forces+Stimulate+Vascular+Remodeling+and+Epidermal+Cell+Proliferation+in+Living+Skin.">Tensile Forces Stimulate Vascular Remodeling and Epidermal Cell Proliferation in Living Skin.</a> Ann Surg. 246, 896-902 (2007).</li><li>Khalatbari, B., Bakhshaeekia, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ten-year+experience+in+face+and+neck+unit+reconstruction+using+tissue+expanders.">Ten-year experience in face and neck unit reconstruction using tissue expanders.</a> Burns. 39, 522-527 (2013).</li><li>Brobmann, F. F., Huber, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+different-shaped+tissue+expanders+on+transluminal+pressure,+oxygen+tension,+histopathologic+changes,+and+skin+expansion+in+pigs.">Effects of different-shaped tissue expanders on transluminal pressure, oxygen tension, histopathologic changes, and skin expansion in pigs.</a> Plast Reconstr Surg. 76, 731-736 (1985).</li><li>van Rappard, J. H., Molenaar, J., van Doorn, K., Sonneveld, G. J., Borghouts, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface-area+increase+in+tissue+expansion.">Surface-area increase in tissue expansion.</a> Plast Reconstr Surg. 82, 833-839 (1988).</li><li>Pusic, A. L., Cordeiro, P. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+accelerated+approach+to+tissue+expansion+for+breast+reconstruction:+experience+with+intraoperative+and+rapid+postoperative+expansion+in+370+reconstructions.">An accelerated approach to tissue expansion for breast reconstruction: experience with intraoperative and rapid postoperative expansion in 370 reconstructions.</a> Plast Reconstr Surg. 111, 1871-1875 (2003).</li><li>Schneider, M. S., Wyatt, D. B., Konvolinka, C. W., Hassanein, K. M., Hiebert, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+Rapid+Versus+Slow+Tissue+Expansion+on+Skin-Flap+Viability.">Comparison of Rapid Versus Slow Tissue Expansion on Skin-Flap Viability.</a> Plast Reconstr Surg. 92, 1126-1132 (1993).</li><li>Schmidt, S. C., Logan, S. E., Hayden, J. M., Ahn, S. T., Mustoe, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+versus+conventional+tissue+expansion:+experimental+verification+of+a+new+technique.">Continuous versus conventional tissue expansion: experimental verification of a new technique.</a> Plast Reconstr Surg. 87, 10-15 (1991).</li><li>Buganza Tepole, A., Gart, M., Purnell, C. A., Gosain, A. K., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-view+stereo+analysis+reveals+anisotropy+of+prestrain,+deformation,+and+growth+in+living+skin.">Multi-view stereo analysis reveals anisotropy of prestrain, deformation, and growth in living skin.</a> Biomech Model Mechanobiol. 14, 1007-1019 (2015).</li><li>Tonge, T. K., Atlan, L. S., Voo, L. M., Nguyen, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Full-field+bulge+test+for+planar+anisotropic+tissues:+Part+I-Experimental+methods+applied+to+human+skin+tissue.">Full-field bulge test for planar anisotropic tissues: Part I-Experimental methods applied to human skin tissue.</a> Acta Biomater. 9, 5913-5925 (2013).</li><li>Park, S. I., Hodgins, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Capturing+and+animating+skin+deformation+in+human+motion.">Capturing and animating skin deformation in human motion.</a> ACM Trans Graph. 25, 881-881 (2006).</li><li>Rausch, M. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+dynamic+strains+of+the+ovine+anterior+mitral+valve+leaflet.">In vivo dynamic strains of the ovine anterior mitral valve leaflet.</a> J Biomech. 44, 1149-1157 (2011).</li><li>Leyva-Mendivil, M. F., Page, A., Bressloff, N. W., Limbert, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+mechanistic+insight+into+the+mechanical+role+of+the+stratum+corneum+during+stretching+and+compression+of+the+skin.">A mechanistic insight into the mechanical role of the stratum corneum during stretching and compression of the skin.</a> J Mech Behav Biomed Mater. 49, 197-219 (2015).</li><li>Buganza Tepole, A., Kabaria, H., Bletzinger, K. -. U., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isogeometric+Kirchhoff-Love+shell+formulations+for+biological+membranes.">Isogeometric Kirchhoff-Love shell formulations for biological membranes.</a> Comput Methods Appl Mech Eng. 293, 328-347 (2015).</li><li>Prot, V., Skallerud, B., Holzapfel, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transversely+isotropic+membrane+shells+with+application+to+mitral+valve+mechanics.+Constitutive+modelling+and+finite+element+implementation.">Transversely isotropic membrane shells with application to mitral valve mechanics. Constitutive modelling and finite element implementation.</a> Int J Num Meth Eng. 71, 987-1008 (2007).</li><li>Seitz, S. M., Curless, B., Diebel, J., Scharstein, D., Szeliski, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparison+and+evaluation+of+multi-view+stereo+reconstruction+algorithms.">A comparison and evaluation of multi-view stereo reconstruction algorithms.</a> Proc IEEE CVPR. 1, 519-528 (2006).</li><li>Furukawa, Y., Ponce, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dense+3D+motion+capture+for+human+faces.">Dense 3D motion capture for human faces.</a> 2009 IEEE CVPR. , (2009).</li><li>Jor, J. W. Y., Nash, M. P., Nielsen, P. M. F., Hunter, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimating+material+parameters+of+a+structurally+based+constitutive+relation+for+skin+mechanics.">Estimating material parameters of a structurally based constitutive relation for skin mechanics.</a> Biomech Model Mechanobiol. 10, 767-778 (2010).</li><li>Weickenmeier, J., Jabareen, M., Mazza, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Suction+based+mechanical+characterization+of+superficial+facial+soft+tissues.">Suction based mechanical characterization of superficial facial soft tissues.</a> J Biomech. 48, 4279-4286 (2015).</li><li>Hughes, T. J. R., Cottrell, J. A., Bazilevs, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isogeometric+analysis:+CAD,+finite+elements,+NURBS,+exact+geometry+and+mesh+refinement.">Isogeometric analysis: CAD, finite elements, NURBS, exact geometry and mesh refinement.</a> Comput Methods Appl Mech Eng. 194, 4135-4195 (2005).</li><li>Echter, R., Oesterle, B., Bischoff, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+hierarchic+family+of+isogeometric+shell+finite+elements.">A hierarchic family of isogeometric shell finite elements.</a> Comput Methods Appl Mech Eng. 254, 170-180 (2013).</li><li>Benson, D. J., Hartmann, S., Bazilevs, Y., Hsu, M. C., Hughes, T. J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blended+isogeometric+shells.">Blended isogeometric shells.</a> Comput Methods Appl Mech Eng. 255, 133-146 (2013).</li><li>Chen, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Explicit+finite+deformation+analysis+of+isogeometric+membranes.">Explicit finite deformation analysis of isogeometric membranes.</a> Comput Methods Appl Mech Eng. 277, 104-130 (2014).</li><li>Buganza Tepole, A., Gart, M., Purnell, C. A., Gosain, A. K., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Incompatibility+of+Living+Systems:+Characterizing+Growth-Induced+Incompatibilities+in+Expanded+Skin.">The Incompatibility of Living Systems: Characterizing Growth-Induced Incompatibilities in Expanded Skin.</a> Ann Biomed Eng. 44, 1734-1752 (2016).</li><li>Buganza Tepole, A., Gart, M., Gosain, A. K., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+living+skin+using+multi-view+stereo+and+isogeometric+analysis.">Characterization of living skin using multi-view stereo and isogeometric analysis.</a> Acta Biomater. 10, 4822-4831 (2014).</li><li>Rose, E. H., Ksander, G. A., Vistnes, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Skin+tension+lines+in+the+domestic+pig.">Skin tension lines in the domestic pig.</a> Plast Reconstr Surg. 57, 729-732 (1976).</li><li>Rausch, M. K., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+mechanics+of+growing+thin+biological+membranes.">On the mechanics of growing thin biological membranes.</a> J Mech Phys Solids. 63, 128-140 (2014).</li><li>Argenta, L. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+tissue+expansion+in+reconstructive+surgery.">Controlled tissue expansion in reconstructive surgery.</a> Br J Plast Surg. 37, 520-529 (1984).</li><li>Hudson, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maximising+the+use+of+tissue+expanded+flaps.">Maximising the use of tissue expanded flaps.</a> Br J Plast Surg. 56, 784-790 (2003).</li><li>Bartell, T. H., Mustoe, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Animal+models+of+human+tissue+expansion.">Animal models of human tissue expansion.</a> Plast Reconstr Surg. 83, 681-686 (1989).</li><li>Belkoff, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+subcutaneous+expansion+on+the+mechanical+properties+of+porcine+skin.">Effects of subcutaneous expansion on the mechanical properties of porcine skin.</a> J Surg Res. 58, 117-123 (1995).</li><li>Ni Annaidh, A., Bruy&#232;re, K., Destrade, M., Gilchrist, M. D., Ott&#233;nio, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+estimation+of+collagen+fibre+dispersion+in+the+dermis+and+its+contribution+to+the+anisotropic+behaviour+of+skin.">Automated estimation of collagen fibre dispersion in the dermis and its contribution to the anisotropic behaviour of skin.</a> Ann Biomed Eng. 5, 139-148 (2012).</li><li>Kiendl, J., Bletzinger, K. U., Linhard, J., W&#252;chner, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isogeometric+shell+analysis+with+Kirchhoff-Love+elements.">Isogeometric shell analysis with Kirchhoff-Love elements.</a> Comput Methods Appl Mech Eng. 198, 3902-3914 (2009).</li></ol>

<html> 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 där...

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. &lt;/ P&gt;

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="817">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Yucatan miniature swine</td>
			<td style="width:263px;">Sinclair Bioresources, Windham, ME</td>
			<td style="width:141px;">N/A</td>
			<td style="width:197px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Antibiotics</td>
			<td>Santa Cruz Animal Health, Paso Robles, CA</td>
			<td style="width:141px;">sc-362931Rx</td>
			<td>Ceftiofur, dosage 5mg/kg intramuscular</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Chlorhexidine-based surgical soap</td>
			<td style="width:263px;">Cardinal Health, Dublin, OH</td>
			<td>AS-4CHGL(4-32)</td>
			<td>4% chlorhexidine gluconate surgical hand scrub</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Tattoo transfer medium&#160;</td>
			<td style="width:263px;">Hildbrandt Tattoo Supply, Point Roberts, WA</td>
			<td>TRANSF</td>
			<td>Stencil thermal tattoo transfer paper</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Lidocaine with epinephrine</td>
			<td style="width:263px;">ACE Surgical Supply Co, Brockton, MA</td>
			<td style="width:141px;">001-1423</td>
			<td>Lidocaine Hcl 1% (Xylocaine) - Epinephrine 1:100,000, 20ml</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Buprenorphine</td>
			<td style="width:263px;">ZooPharm, Windsor, CO</td>
			<td style="width:141px;"></td>
			<td>1 mg/ml sustained release, dosage 0.01 mg/kg intramuscular</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Digital camera</td>
			<td style="width:263px;">Sony</td>
			<td style="width:141px;">Alpha33&#160;</td>
			<td>Standard digital camera with 18-35mm lens, 3.5-5.6 aperture. Used in automatic mode, no flash</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Tape measure</td>
			<td style="width:263px;">Medline, Mundelein, Illinois</td>
			<td style="width:141px;">NON171330</td>
			<td>Retractable tape measure, cloth, plastic case, 72inches</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Tissue expanders</td>
			<td style="width:263px;">PMT, Chanhassen, MN</td>
			<td style="width:141px;">03610-06-02</td>
			<td>4cm x 6cm, rectangular, 120cc, 3610 series 2 stage tissue expander with standard port</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">ReCap360</td>
			<td style="width:263px;">Autodesk</td>
			<td style="width:141px;">N/A</td>
			<td>MVS Software, Web application: recap360.autodesk.com</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Blender</td>
			<td style="width:263px;">Blender Foundation</td>
			<td style="width:141px;">N/A</td>
			<td>Computer Graphics Software, open source: blender.org</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">SISL</td>
			<td style="width:263px;">SINTEF</td>
			<td style="width:141px;">N/A</td>
			<td>C++ spline libraries, open source: https://www.sintef.no/projectweb/geometry-toolkits/sisl/</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

quantification of strain in a porcine model of skin expansion using multi-view stereo and isogeometric kinematics

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.

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 lå...

Watch this Scientific Journal Video about Quantification of Strain in a Porcine Model of Skin Expansion Using Multi-View Stereo and Isogeometric Kinematics at JoVE.com

Quantification of Strain in a Porcine Model of Skin Expansion Using Multi-View Stereo and Isogeometric Kinematics

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.

Kvantifiering av spänningar i en grismodell av Skin Expansion Använda Multi-View Stereo och Isogeometric kinematik

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 ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

The Three-Dimensional Human Skin Reconstruct Model: a Tool to Study Normal  Skin and Melanoma Progression

Den tredimensionella human hud Rekonstruera Modell: ett verktyg för att studera normal hud och melanom Progression

Most in vitro studies in experimental skin biology have been done in 2-dimensional (2D) monocultures, while accumulating evidence suggests that cells ...

A Full Skin Defect Model to Evaluate Vascularization of Biomaterials In Vivo

A Full Skin Defect Model to Evaluate Vascularization of Biomaterials In Vivo

En Full Skin Defect modell för att utvärdera Vaskularisering av biomaterial<em&gt; In Vivo</em

Insufficient vascularization is considered to be one of the main factors limiting the clinical success of tissue-engineered constructs. In order to ...

Generation of a Three-dimensional Full Thickness Skin Equivalent and Automated Wounding

Generering av ett tredimensionellt Full Tjocklek hudekvivalent och automatiserade sårar

In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models ...

Improving 2D and 3D Skin In Vitro Models Using Macromolecular Crowding

Improving 2D and 3D Skin In Vitro Models Using Macromolecular Crowding

Förbättra 2D och 3D Skin<em&gt; In Vitro</em&gt; Modeller Använda Macro Trängsel

The glycoprotein family of collagens represents the main structural proteins in the human body, and are key components of biomaterials used in modern ...

In Vitro Model of Human Cutaneous Hypertrophic Scarring using Macromolecular Crowding

In Vitro-modell av humant kutan hypertrofisk ärrbildning med makromolekylär trängsel

It has been shown that in vivo tissues are highly crowded by proteins, nucleic acids, ribonucleoproteins, polysaccharides, etc. The following protocol ...

Imaging and Quantification of the Area of Fast-Moving Microbubbles Using a High-Speed Camera and Image Analysis

Avbildning och kvantifiering av området snabbrörliga mikrobubblor Med hjälp av en höghastighetskamera och bildanalys

An experimental and image analysis technique is presented for imaging cavitation bubbles and calculating their area. The high-speed imaging experimental ...

Measuring 3D In-vivo Shoulder Kinematics using Biplanar Videoradiography

Mätning av 3D In-vivo Shoulder Kinemas med biplanar videoradiografi

The shoulder is one of the human body's most complex joint systems, with motion occurring through the coordinated actions of four individual joints, ...

Generation of a Simplified Three-Dimensional Skin-on-a-chip Model in a Micromachined Microfluidic Platform

Generering av en förenklad tredimensionell hud-på-ett-chip-modell i en mikromaskin mikrofluidisk plattform

This work presents a new, cost-effective, and reliable microfluidic platform with the potential to generate complex multilayered tissues. As a proof of ...

Quantification of Mouse Heart Left Ventricular Function, Myocardial Strain, and Hemodynamic Forces by Cardiovascular Magnetic Resonance Imaging

Kvantifiering av mushjärta vänster ventrikulär funktion, hjärtmuskelstam och hemodynamiska krafter genom kardiovaskulär magnetisk resonanstomografi

Mouse models have contributed significantly to understanding genetic and physiological factors involved in healthy cardiac function, how perturbations ...

A Reliable Porcine Fascio-Cutaneous Flap Model for Vascularized Composite Allografts Bioengineering Studies

En pålitlig svin fascio-kutan klaffmodell för vaskulariserade komposit allografts bioengineering studier

Vascularized Composite Allografts (VCA) such as hand, face, or penile transplant represents the cutting-edge treatment for devastating skin defects, ...