Summary
حللنا المفاصل المشتركة من بيانات التصوير المقطعي المحوسب الرباعي الابعاد. المتسلسلة 3D-3D طريقه التسجيل شبه تلقائيا يوفر العظام المتحركة فيما يتعلق عظم الموضوع من البيانات المقطعية المحوسبة رباعيه الابعاد.
Abstract
التصوير المقطعي المحوسب رباعي الابعاد (4DCT) يوفر سلسله من بيانات الحجم وتصور الحركات المشتركة. ومع ذلك ، لا يزال التحليل العددي للبيانات 4DCT صعبا لان التجزئة في جميع الإطارات الحجمية تستغرق وقتا طويلا. ونحن تهدف إلى تحليل المفاصل المشتركة باستخدام تقنيه التسجيل 3D ثلاثية الابعاد متسلسلة لتوفير المهارات الحركية للعظام المتحركة فيما يتعلق بالعظم الثابت شبه تلقائيا باستخدام بيانات DICOM 4DCT والبرامج الموجودة. يتم أعاده بناء البيانات السطحية للعظام المصدر من 3DCT. يتم مطابقه البيانات السطحية المشذبة علي التوالي مع بيانات السطح من الإطار الأول في 4DCT. تتم مطابقه هذه الأسطح المشذبة بالتتابع حتى الإطار الأخير. توفر هذه العمليات معلومات موضعيه للعظام المستهدفة في جميع إطارات 4DCT. بمجرد ان يتم تحديد الانظمه الاحداثيه للعظام المستهدفة ، يمكن حساب زوايا الترجمة والدوران بين اي من العظمين. هذا التحليل 4DCT يوفر مزايا في التحليلات الحركية من الهياكل المعقدة مثل العظام الرسغي أو التارسال. ومع ذلك ، لا يمكن تتبع الحركات السريعة أو الكبيرة الحجم بسبب التحف المتحركة.
Introduction
وقد وصفت الشركات المشتركة باستخدام عدد من المنهجيات ، مثل أجهزه استشعار التقاط الحركة ، وتسجيل 2d-3d ، والدراسات تاكل. كل أسلوب له مزايا وعيوب محدده. علي سبيل المثال ، يمكن لأجهزه استشعار التقاط الحركة قياس حركات سريعة وواسعة النطاق باستخدام كاميرات الاشعه تحت الحمراء مع أو بدون أجهزه استشعار في الموضوع1،2. ومع ذلك ، تقيس هذه الطرق حركه الجلد لاستنتاج المفاصل المشتركة ، التالي تحتوي علي أخطاء الحركة الجلدية3.
وقد استخدمت الدراسات cadaveric لتقييم نطاقات الحركة ، وعدم الاستقرار ، ومناطق الاتصال4،5،6. هذا النهج يمكن قياس التغييرات الصغيرة في المفاصل الصغيرة باستخدام الاشعه المقطعية أو أجهزه الاستشعار البصرية المرفقة مباشره إلى العظام باستخدام دبابيس أو مسامير. يمكن لنماذج cadaveric تقييم الحركات السلبية بشكل رئيسي ، علي الرغم من استخدام العديد من المحركات لتطبيق القوات الخارجية علي الأوتار لمحاكاة الحركة الديناميكية7. ويمكن قياس الحركة المشتركة النشطة بواسطة تقنيات التسجيل 2D-3D ، مطابقه الصور 3DCT إلى 2D الصور التنظير. علي الرغم من ان دقه عمليه التسجيل لا تزال مثيره للجدل ، والدقة المبلغ عنها عموما عاليه بما فيه الكفاية ل الكينماتيكا مشترك كبير8،9. ومع ذلك ، لا يمكن تطبيق هذه الطريقة علي العظام الصغيرة أو العظام المتعددة في المساحات الضيقة.
في المقابل ، 4DCT هو أسلوب التصوير المقطعي الديناميكي الذي يحصل علي سلسله من البيانات الحجمية. ويمكن تحليل الاقتراحات المشتركة النشطة باستخدام هذا النهج10. توفر هذه التقنية بيانات موضعيه دقيقه ثلاثية الابعاد لجميع المواد داخل الجسر المقطعي المحوسب. يتم تصور الاقتراحات المشتركة ثلاثية الابعاد بوضوح في العارض. ومع ذلك ، وصف المفاصل المشتركة من مثل هذه السلسلة من بيانات الحجم لا يزال صعبا ، لان جميع العظام تتحرك ولا يمكن تتبع المعالم خلال الحركات النشطة في الجسم الحيوي.
قمنا بتطوير طريقه لتحليل 4DCT التي توفر في الجسم الحيوي مشتركه الكائنات الخاصة بالعظام كلها حول المفصل اثناء الحركات النشطة. والهدف من هذه المادة هو تقديم طريقتنا ، وتقنيه التسجيل 3D ثلاثية الابعاد متسلسلة لتحليل 4DCT ، وإظهار النتائج التمثيلية التي تم الحصول عليها باستخدام هذه الطريقة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تمت الموافقة علي جميع الطرق الموصوفة هنا من قبل مجلس المراجعة المؤسسية لكليه الطب بجامعه كيو.
ملاحظه: يتم قياس المفاصل المشتركة عن طريق أعاده بناء حركه العظام المتحركة حول عظم ثابت. بالنسبة لمفصل الركبة ، يتم تعريف عظم الفخذ علي انه عظمه ثابته ويعرف الساق بأنه العظم المتحرك.
1. بروتوكول التصوير المقطعي المحوسب
- قم باعداد اله التصوير المقطعي. الحصول علي اختبارات التصوير المقطعي المحوسب مع نظام الاشعه المقطعية 320 للكشف عن الصف للسماح لمراحل متعددة من البيانات حجم 3D مع 160 mm التغطية الجمجمة. علي سبيل المثال ، في تحليل الركبة ، والحصول علي صوره تتكون من 51 المسح الضوئي حجم مع وقت دوران من 0.275 s ، ويتم أعاده بناء جميع الصور باستخدام نصف الاعمار ، بحيث يكون القرار الزمني حوالي 0.16 s.
- استخدام معلمات المسح الضوئي التالية: ذروه أنبوب الجهد = 100 kVp; أنبوب الحالي = 40 mA; تغطيه المسح الضوئي = 160 مم ؛ حجم مصفوفة = 512 x 512 بكسل; وأعاده الاعمار سمك القسم والفاصل المقطعي = 0.5 مم.
- ضع المفصل المستهدف للموضوع داخل الجسر المقطعي المحوسب في موضع البداية للامتحان 4DCT (الشكل 1).
- قبل امتحان التصوير المقطعي المحوسب ، تدرب علي حركات المفصل من موضع البداية إلى الوضع النهائي في غضون وقت الفحص المطلوب. اطلب من الموضوع لنقل المشتركة خلال 10.275 s المسح الضوئي الوقت والحصول علي سلسله من بيانات وحده التخزين. تخزين بيانات وحده التخزين المتسلسلة بتنسيق DICOM.
- تنفيذ 3DCT ثابته من جميع العظام المستهدفة وتخزين البيانات في شكل DICOM.
2-أعاده بناء الأسطح
- اجراء تقسيم شبه تلقائي للبيانات 3DCT (الشكل 2ا).
- تحميل البيانات المحوسبة DICOM عن طريق تحديد جميع الملفات DICOM من البيانات 3DCT ثابته.
- افتح حقل التسمية بالنقر فوق تحرير حقل التسمية الجديد وتحقق من قيمه التوهين CT العتبة المناسبة لاستخراج العظم القشري من عظم المصدر. حدد المواد التي تحتوي علي قيم توهين CT فوق العتبة. علي سبيل المثال ، يتم تعيين عتبه القشرة العظمية لموضوع الشباب كما 250. تحقق من التسمية لتحديد قشره العظام وتعديل ترسيم الحدود يدويا باستخدام أداه تحرير للاتساق مع شكل العظم.
- إنشاء بيانات السطح (شبكات المثلث) من بيانات موضع قشره العظم المسمية (سحابه النقاط في البرنامج). تخزين بيانات السطح عن طريق تصدير البيانات بتنسيق اللغة المثلثية القياسية (STL).
- انقر علي إنشاء Surface | تطبيق علي تسميه العظام القشرية. انقر فوق ملف | تصدير البيانات ك | المحكمة الخاصة ب STL ثنائي قليلا لحفظ البيانات السطحية في شكل stl.
- تنفيذ التقسيم التلقائي لبيانات الحجم 4DCT (الشكل 2ب).
ملاحظه: يتضمن كل اطار من بيانات DICOM توزيع قيم التوهين CT في الجسر المقطعي المحوسب.- تعيين عتبه قشره العظام كما هو الوضع في CT ثابت ، واستخراج البيانات الهندسية التي تظهر قيم التوهين CT فوق العتبة من جميع الإطارات 51 من البيانات 4DCT باستخدام وحده القراءة DICOM في برنامج البرمجة. اضبط العتبة وفقا لكثافة عظم العظم المصدر. علي سبيل المثال ، بالنسبة للعظام الهشاشته ، قم بتعيين الحد الأدنى.
- ترجمه جميع البيانات الموضعية التي تم الحصول عليها بالفعل في الخطوة السابقة إلى تنسيق يمكن تفسيره بواسطة برامج معالجه الصور (علي سبيل المثال ، Avizo). في برنامج معالجه الصور ، أعاده بناء جميع البيانات السطحية لسحابه نقطه مع اعلي قيم التوهين CT من عتبه لجميع الإطارات 4DCT باستخدام البرنامج النصي معالجه دفعه. برنامج معالجه الصور يحتوي علي وظيفة لقراءه البرنامج النصي وتصدير البيانات السطحية من البيانات سلسله DICOM تلقائيا. يتم عرض البرنامج النصي الدفعي في " ملف الترميز الإضافي".
3. تسجيل الصورة
ملاحظه: في هذه الخطوة ، أعاده بناء حركات العظم المتحرك فيما يتعلق بالعظم الثابت من البيانات الخام DICOM 4DCT.
- اجراء التسجيل السطحي من 3DCT ثابته إلى الإطار الأول من 4DCT.
- تقليم العظام في 3DCT ثابته في جزء البيانات الجزئية التي يتم تضمينها في جميع الإطارات من 4DCT للاستخدام مع التكرارية نقطه أقرب (برنامج المقارنات العامة) خوارزميه11 في البرمجيات 3d شبكه التحرير باستخدام وظيفة الوجه تحديد (الشكل 3ا) عن طريق أحاله بيانات الفيلم 4dct. البيانات السطحية من 4DCT هي فقط الأجزاء الجزئية التي يتم تضمينها في كل وحده تخزين لان تسجيل السطح يتطلب ان يتم تضمين نقطه بيانات سطح واحده في سطح آخر.
- اختيار ثلاثه معالم في العظام الثابتة والمتحركة التي يمكن التعرف عليها بسهوله من سطح 3DCT قلص والبيانات السطحية من الإطار الأول من 4DCT في برامج التحرير شبكه 3D باستخدام وظيفة نقاط الانتقاء (الشكل 3ب).
- تطابق العظام الجزئية الثابتة والمتحركة تقريبا علي الإطار الأول من البيانات السطحية 4dct (الشكل 3ج) وفقا للمعالم المنتقية في 3-1-2. وبعد ذلك ، اجراء التسجيل السطحي باستخدام خوارزميه برنامج المقارنات البرامجية11 باستخدام برمجيات المصدر المفتوح (مثل vtk).
ملاحظه: توفر هذه العملية مصفوفات تحويل متجانسة من العظام الثابتة والمتحركة من 3DCT ثابته إلى الإطار الأول من 4DCT (الشكل 3D). وهذه المصفوفات هي مصفوفات 4 x 4 تتالف من التناوب والترجمة ، كما هو مبين في الشكل 4. يمكن أيضا حساب مصفوفة التحويل التي تسبب الاجراء العكسي.
- اجراء تسجيل تسلسلي للسطح (الشكل 5).
- تطابق الأسطح الجزئية للعظام الثابتة والمتحركة في أول اطار 4DCT علي البيانات السطحية للإطار الثاني. بعد ذلك ، تطابق الأسطح الجزئية للإطارالأول علي الإطار ( i +1) من 4dct بالتتابع. كرر هذه العملية حتى الإطار الأخير من 4DCT عن طريق البرمجة مع استخدام الوحدة النمطية لبرنامج المقارنات البرنامجية في برمجيات المصدر المفتوح.
- حساب مصفوفات التحويل من 3DCT ثابته لجميع الإطارات في 4DCT وفقا لنتائج 3.1 و 3.2.
- أعاده بناء حركه العظام المتحركة فيما يتعلق بالعظم الثابت (الشكل 6).
- أعاده بناء العظام المتحركة فيما يتعلق بالعظم الثابت من المصفوفات التي تمثل التحول من 3DCT ثابته إلى كل اطار 4DCT. تحديد الانظمه الاحداثيه للعظام الثابتة والمتحركة عند قياس معلمات الدوران (علي سبيل المثال ، زاوية انثناء أو زاوية الدوران المحسوبة بواسطة زاوية euler/cardan)12،13،14.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
نحن وصف حركه الساق اثناء تمديد الركبة. تم وضع مفصل الركبة في الجسر المقطعي المحوسب. واستخدمت وساده مثلث لدعم عظم الفخذ في موقف البداية. وامتدت الركبة إلى وضع مستقيم علي مدي 10 ليالي. وتم قياس التعرض للإشعاع. بالاضافه إلى 4DCT ، تم تنفيذ 3DCT ساكنه من عظم الفخذ كله ، الساق ، والباتيلا. وأعيد بناء البيانات السطحية لعظم الفخذ والساق بأكمله. تم تعيين عتبه أرقام هو جين تاو من قشره العظم كما 250 HU وأعيد بناء البيانات السطحية لجميع الإطارات 51.
وقد قلص عظم الفخذ والساق إلى البيانات السطحية الجزئية التي تم تضمينها في جميع الإطارات 4DCT بواسطة بصريا التحقق من بيانات الفيلم 4DCT, الذي تم إنشاؤه في البرنامج 4DCT مسبقا. في السطوح الساكنة 3DCT والإطار الأول من 4DCT ، تم رسم معالم كل قطعه. علي عظم الفخذ ، تم تحديد المستوي الإنسي والجانبي والشق البيني. وعلي الساق ، تم أيضا تحديد الطرفين الإنسي والجانبي لسطح المفصل والظنبوبي المسك باعتبارهما من المعالم المناظرة. كانت البيانات السطحية الجزئية لعظم الفخذ والساق متطابقة تقريبا مع الإطار الأول من البيانات 4DCT وفقا لهذه المعالم الثلاثة. ثم تمت مطابقه هذه الأسطح تماما باستخدام خوارزميه برنامج المقارنات الحاسوبية.
تمت مطابقه الأجزاء الجزئية من عظم الفخذ والساق من الإطار الأول مع السطح كله في الإطار الثاني. التاليتمت مطابقه الأجزاء الجزئية في الإطار i بالبيانات السطحية الكاملة للإطار(i + 1) بالتتابع. وفي خوارزميه برنامج المقارنات الحاسوبية ، حددت معايير التقارب لمتوسط المسافة بين التكرارات ب0.01 ملم.
تم تعريف عظم الفخذ بأنه العظام الثابتة والساق كعظم متحرك. يتم احتساب مصفوفة 4 × 4 التي تصف الترجمة والدوران من النظام الإحداثي العالمي في بيانات الاشعه المقطعية الاصليه للنظام الإحداثي المحلي للعظام الثابتة. تم تعريف النظام الإحداثي لعظم الفخذ والساق وفقا لتقرير سابق15. قمنا بحساب حركه الساق من زوايا يولر/كاردان في ' zxy ' النظام ، وهذا يعني flexion ، varus ، والتناوب الداخلي ، في هذا الترتيب14.
تعتمد طريقتنا علي دقه تسجيل الصورة من الأجزاء الجزئية علي البيانات السطحية بأكملها. نحن التحقق من صحة دقه التسجيل السطحي الجزئي عن طريق خفض طول عظم الفخذ والساق تدريجيا بنسبه 1 ٪ علي طول المحور الطويل من 20 ٪-1 ٪. تم اجراء التسجيل السطحي للأجزاء الجزئية للعظام بأكملها لمجموعه كامله من أطوال عظم الفخذ والساق ، وتم تقييم أخطاء الدوران والترجمة من المعلمات المحسوبة من العظام بأكملها.
وأظهرت النتائج ان زاوية تقوس من الساق انخفض تدريجيا كما تم تمديد الساق (الشكل 7). الظنبوبي دوران خارجيه يزاد في النهاية من الامتداد. يماثل هذا دوران خارجيه مع ال "برغي حركه بيتيه" من الركبة في تقارير سابقه16,17.
وكانت تقديرات الجرعة الفعالة لهذا البروتوكول المحوسب 0.075 مليسيفرت ، علي النحو الذي يحدده قياس طول الجرعة (187.5 mGy-cm) والمعاملات الطبيعية المناسبة (0.0004) كما ورد في الأدبيات18.
في التحقق من صحة ، تظهر الرسوم البيانية للخطا للترجمة والتناوب ان الخطا كان مقبولا لأطوال عظم الفخذ أطول من 9 ٪ من طول كامل وأطوال الساق أطول من 7 ٪ من طول كامل (الشكل 8). في 10 ٪ من طول عظم الفخذ و 8 ٪ من طول الساق ، وكانت الأخطاء 0.02 درجه لدوران varus/valgus ، 0.02 ° للتناوب الداخلي/الخارجي ، 0.01 درجه للتمديد/الدوران المرن ، 0.10 مم للترجمة الاماميه/الخلفية ، 0.14 مم للترجمة القريبة/البعيدة ، و 0.11 مم تعتبر أخطاء الترجمة هذه لا يستهان بها لان سمك الشريحة CT هو 0.5 مم ويتجاوز حجم الخطا. وتميل أخطاء الدوران الداخلية والخارجية إلى التذبذب. ويعتقد ان هذا يرجع إلى الحد الأدنى المحلي المناسب للتناوب التكراري علي طول المحور الطويل بسبب الشكل المتناظر لسطح المفصل الظنبوبي.
وكبيانات اضافيه ، تم أيضا حساب المعلومات الاحصائيه الرضفة باستخدام نفس الطريقة. أظهرنا الميل الجانبي للرضفة عن طريق تتبع قاعده السطح الرضفي المقابلة لزاوية ثني الركبة كما هو محسوب من تحليل الساق (الشكل التكميلي 1).
الشكل 1: اقتناء 4DCT. فحص 4DCT لتمديد الركبة. الموضوع هو تعليمات للكذب ووضع الركبة في العملاق CT. في موضع الانطلاق ، يتم تعيين الركبة في الموضع المرن وتمديدها في غضون 10 ثانيه بعد بدء الفحص. في هذا الرقم ، وهذا الموضوع يمتد الركبة من 60 درجه من انثناء إلى اقصي تمديد في 10 ق. الرجاء انقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: أعاده بناء البيانات السطحية. (ا) يتم أعاده بناء البيانات السطحية من عظم الفخذ كله (العظام الثابتة) والساق كله (العظام المتحركة). (ب) باستخدام بيانات dicom من 4DCT ، يتم استخراج البيانات الموضعية لقشره العظم التي تظهر قيم التوهين المقطعي فوق العتبة في كل اطار. هذه البيانات الموضعية هي مدخلات في البرنامج ويتم أعاده بناء البيانات السطحية لجميع الإطارات. عظم الفخذ يتحرك أيضا (السهم الأخضر) فيما يتعلق الساق (السهم الأزرق). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: التسجيل السطحي. (ا) يتم اقتطاع البيانات السطحية للعظام الثابتة والمتحركة من 3dct إلى أجزاء جزئيه التي يتم تضمينها في جميع الإطارات 4dct لان البيانات السطحية من 4dct هي أجزاء جزئيه فقط ، والتي يتم تضمينها في الجسر المقطعي المحوسب. (ب) يتم انتقاء ثلاثه معالم في الأجزاء الجزئية لل 3dct الساكنة والإطار الأول لل 4dct. (ج) يتم مطابقه الأجزاء الجزئية مع الإطار الأول وفقا للمعالم. (د) تطبق خوارزميه النقطة الأقرب التكرارية لمضاهاة البيانات السطحية. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: يتم احتساب مصفوفة التحويل من التسجيل السطحي. (ا) يمكن وصف الترجمة التحريرية وتناوب البيانات السطحية في مصفوفة 4 x 4 (مصفوفة التحول المتجانس). يمثل Mref مصفوفة العظم الثابت وتمثل mref مصفوفة العظم المتحرك. تمثل القيمة اليمني السفلية موضع البداية وتمثل القيمة العليا اليسرى الموضع الهدف. علي سبيل المثال ، يترجم 1mrefs العظم الثابت في موضع 3dct الثابت إلى العظم الثابت في الإطار الأول من 4dct. (ب) مصفوفة التناوب هي مصفوفة 4 × 4. R3 هو مصفوفة 3 × 3 التي تعرف الدوران و d هي مصفوفة 1 × 3 التي تعرف الترجمة. tr3 هو مصفوفة عرضيه من r3. (ج) يعني "الجرد" الأيمن العلوي مصفوفة الإجراءات العكسية. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: خطوات التسجيل السطحي المتسلسل لجميع الإطارات. الفرق بين i و(i + 1) إطاراتث هو صغير جدا. يمكن ان تتطابق الأجزاء الجزئية من الإطار i مع البيانات السطحية الكاملةللإطار ( i +1) فقط من خلال خوارزميه برنامج المقارنات المتكاملة. يتم تكرار التسجيل السطحي بشكل تسلسلي حتى الإطار الأخير. يتم احتساب مصفوفة التحويل من 3DCT الثابتة إلى كل اطار (iMs). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: يتم احتساب زوايا الدوران باستخدام الانظمه الاحداثيه المحددة للعظام الثابتة والمتحركة. (ا) يحدد النظام الإحداثي للعظام الثابتة15. يتم حساب مصفوفات الاستدارة من 3DCT ثابته إلى النظام الإحداثي المحلي للعظام الثابتة (LmrefS). (ب) يتم تحديد النظام الإحداثي للعظام المتحركة ورسمه علي العظم الثابت في النظام الإحداثي المحلي15. يتم احتساب مصفوفات الدوران من العظم المتحرك المحلي إلى النظام الإحداثي المحلي للعظام الثابتة (Mi). من هذه المصفوفات ، يتم احتساب زوايا العظم المتحرك فيما يتعلق بالعظم الثابت باستخدام زاوية Euler/Cardan. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: تظهر النتائج التمثيلية من الساق اثناء تمديد الركبة. (ا) امتداد الساق. من اطار البداية ، يتم تمديد الساق باستمرار تقريبا وزيادة سرعه التمديد حول الإطار النهائي. (ب) الظنبوبي التناوب الداخلي. المحور عرضيه ال [الظنبوبي] امتداد زاوية. الساق تدور داخليا إلى 10 درجه من انثناء وتدور خارجيا حتى الإطار النهائي. (ج) الزوايا أروح زيادة باستمرار خلال جميع إطارات تمديد الركبة. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: التحقق من التسجيل السطحي للجزء الجزئي علي العظم بأكمله. وانخفضت أطوال عظم الفخذ والساق تدريجيا بنسبه 1 ٪ علي طول المحور الطويل من 20 ٪-1 ٪. يتم اجراء التسجيل السطحي للأجزاء الجزئية للعظام الكاملة لجميع مجموعات أطوال عظم الفخذ والساق ، ويتم تقييم أخطاء الدوران والترجمة من المعلمات المحسوبة من العظام بأكملها. ويرد تحليل الاضطراب في الشكل التكميلي 2. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل التكميلي 1: الرضفة الخلوية اثناء تمديد الركبة. وتحسب أيضا البراءات الرضفة باستخدام نفس الطريقة. (ا) كان السطح مناسبا للبيانات السطحية للرضفة. يتم احتساب قاعده السطح التي تشير إلى الواجهة التقدمية. ويعرف الميل الجانبي بأنه زاوية الاماله الجانبية للقاعدة في النظام الإحداثي لعظم الفخذ. (ب) يتم رسم أماله الرضفة الجانبية اثناء تمديد الركبة المقابلة لتمديد الركبة كما هو محسوب من الظنبوبي كينيماتيك. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل التكميلي 2: تحليل الاضطراب. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
ملف الترميز التكميلي. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
طريقتنا يسمح التصور والتقدير الكمي لحركات العظام كلها ويوفر البيانات الموضعية العددية للعظام المتحركة فيما يتعلق العظام الثابتة من البيانات 4DCT. وقد اقترحت العديد من الاداات لقياس المفاصل المشتركة. يمكن لعلامات الجلد الحركة تحليل حركات الجسم الاجماليه علي مدي فتره طويلة. ومع ذلك ، يحتوي هذا الأسلوب علي أخطاء حركه الجلد3. وينبغي تقدير المفاصل المشتركة من حركه العظام المجاورة. تستخدم طريقه التسجيل 2D-3D التنظير الفلوري والحفر ثلاثية الابعاد من الصور المتسلسلة ثنائيه الابعاد. الأخطاء الانتقالية لا تزال موجودة ، علي الرغم من ان برنامج التحليل قد تطورت لحساب هذا. وقد قيست العديد من الدراسات تاكل المشتركة من خلال اتخاذ صور CT في مواقف جثة مختلفه19. ومع ذلك ، فان هذه تمثل حركات سلبيه من الصور ثلاثية الابعاد الثابتة المتسلسلة ، التالي تختلف نوعيا عن الحركات النشطة.
وهناك عده خطوات حاسمه في هذا البروتوكول. يجب إنشاء البيانات السطحية من 3DCT بدقه لان هذه النوعية تؤثر علي دقه التسجيل السطحي الاولي إلى الإطار الأول من 4DCT. حول المنطقة المشتركة ، قد تكون العتبة الخاصة بقشره العظم مختلفه عن العمود الفقري. ستكون هناك حاجه إلى تعديل العتبة عندما تكون حدود قشره العظم غير واضحة. وبمجرد الانتهاء من تسجيل السطح لجميع الإطارات ، يجب التحقق من الحركة أعاده بنائها. إذا فشل تسجيل السطح لاطار واحد ، يمكن أعاده تشغيل التسجيل التلقائي للسطح من الإطار التالي عن طريق انتقاء المعالم في الإطار التالي وتكرار البروتوكول.
يوفر أسلوب 4DCT بيانات حجم متسلسلة مع دقه تقريبا عاليه مثل 3DCT ثابته لان البيانات المقطعية DICOM تحتوي علي قيم الإحداثيات المطلقة لجميع الانسجه في العملاق CT. استعمل عده دراسات [4 دكت] لتحقيقات من [كينميتيكس] مشتركه20,21. بيد ان المراقبين اختاروا في معظمهم معالم من عده أطر وحسبوا البارامترات (مثل الزوايا والترجمة). تحتوي عمليات تحليل البيانات هذه علي خطا بشري يؤدي إلى خطا في القياس. طريقتنا للتسجيل السطحي يوفر دقه عاليه مطابقه الصورة. وبمجرد التامر ، يمكن تتبع معالم المعلمات وفقا لشكل السطح في كل اطار. نظريا ، التقسيم السطحي اليدوي لجميع الإطارات 4DCT يوفر البيانات الأكثر دقه ، ولكن هذه العملية هي بعيده جدا الوقت مكثفه. في الاونه الاخيره ، تم استخدام 4DCT لتحليل الحركة لمفاصل المعصم لان عظام الرسغ صغيره وتتداخل الهياكل22. كانت هناك عده تقارير عنالتتبع الألى للعظام 23,24. غوتو وآخرون تحليل الحركات الاصبع باستخدام معاملات الارتباط تطبيع التي تكشف عن التشابه بين اثنين من الصور25. استخدمنا تسجيل السطح لان موقع سطح قشره العظام هو المعلم الأكثر اهميه لوصف المفاصل المشتركة.
استخدمنا خوارزميه أقرب نقطه تكراريه لتتبع حركه البيانات السطحية في جميع الإطارات. تتطابق خوارزميه النقطة الأقرب التكرارية بين مجموعتين من الغيوم النقطية أو البيانات السطحية لتقليل مسافة السطح إلى السطح11 ولكنها تحتوي علي عده عيوب. تستخدم هذه الخوارزميه بشكل عام لمطابقه اثنين من الأسطح القريبة. ولذلك ، عندما تقع السطوح اثنين بعيدا عن بعضها البعض ، فان التسجيل يحدث في "الحد الأدنى المحلي" موقف ، وليس الموقف المطابق صحيح26. نحن التغلب علي هذا العيب من خلال اتخاذ ثلاثه معالم في كل العظام في البداية. ويقابل السطحين تقريبا وفقا لهذه المعالم الثلاثة. ومن هاتين الوظيفتين ، يعتبر برنامج المقارنات الثنائية أقرب موقع. معدل الإطار من 4DCT قصيرة جدا (0.2 s) ، التالي فان الوضع السطحي في الإطار الحالي هو علي مقربه من وضع السطح في الإطار التالي. في حالات الحركة المشتركة البطيءه ، لن تكون هناك حاجه إلى خطوه المباراة التقريبية للتسجيل السطحي المتسلسل الإضافي للإطار. الاضافه إلى ذلك ، يتم استنساخ العلاقة بين كامل العظام اثنين من خلال مطابقه كامل البيانات السطحية 3DCT ثابته علي بيانات سطح الإطار 4DCT الجزئي. عموما, ال ينسق نظامه من العظمة عينت من ه كامله12,27. التالي فان أعاده بناء حركه العظام بأكملها تسهم في وصف زوايا المفاصل. تعتمد هذه الدقة إلى حد كبير علي التسجيل السطحي للسطح الجزئي علي البيانات السطحية بأكملها. في البيانات التمثيلية ، أظهرنا ان توفر أكثر من 10 ٪ من الأجزاء يوفر دقه كافيه لمفصل الركبة.
توفر بيانات الاشعه المقطعية جميع البيانات الموضعية داخل منطقه الاشعه المقطعية. نوعيه البيانات يعتمد فقط علي نوعيه الجهاز CT. التالي يمكن تطبيق هذه الطريقة علي العظام الصغيرة أو العظام المتعددة مثل عظام الرسغ ، والتي يصعب تتبعها من خلال تسجيل 2D-3D.
ويجب ذكر العديد من القيود. أولا ، يعتمد برنامج المقارنات الخاصة علي شكل الجزء الجزئي. ويكون البرنامج أكثر دقه عندما يكون للسطح سمات هندسية مثل نتوءات العظم أو الحواف القشرية. ومن ناحية أخرى ، عندما يكون الشكل السطحي متناظرا ، مثل الراس الشعاعي أو sesamoid ، فان برنامج المقارنات القطرية سيوفر دورانا خاطئا للسطح الأصلي. الاضافه إلى ذلك ، يعتمد البرنامج أيضا علي نوعيه البيانات السطحية. في حاله العظام الهشاشته ، يعتمد أعاده البناء السطحي إلى حد كبير علي التجزئة اليدوية. وقد يؤدي ذلك إلى حدوث أخطاء بين المراقبين. في الاونه الاخيره ، تم تطوير تجزئه الانسجه المحوسبة علي شرائح CT. ومع ذلك ، لا تزال تعتبر التجزئة دليل الإنسان أكثر موثوقيهعند تحديد انسجهمحدده 28 ،29. علي الرغم من انه لا يمكن تغيير جوده صوره التصوير المقطعي المحوسب ، الا انه يمكن التغلب علي قيود أخرى من خلال التقسيم اليدوي للسطح والتسجيل. ثانيا ، عندما يكون الحركة المشتركة سريعة جدا ، لا يمكن لهذه الطريقة تتبع حركات العظام ، لان الصور المقطعية تصبح ضبابية30. الإطار إلى الإطار تسجيل السطح ثم يفشل لان السطحين بعيده جدا. تعتمد السرعة المقبولة علي المفصل المستهدف ، لان التشكل المشترك يؤثر علي معدل نجاح تسجيل السطح. ستكون هناك حاجه في المستقبل إلى دراسات عن التسامح في السرعة لكل مشترك. الاضافه إلى ذلك ، ينبغي اجراء الحركة المشتركة داخل العملاق CT. لذلك ، لتحليل التحميل الحركية ، وأجهزه الاستشعار البصرية أو 2D-2D التسجيل هي أفضل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس للمؤلفين مصالح مالية متنافسة.
Acknowledgments
تمت الموافقة علي هذه الدراسة من قبل مجلس المراجعة المؤسسية لمؤسستنا (رقم الموافقة: 20150128).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 4DCT scanner | Canon medical systems (Tochigi, Japan) | N/A | 4DCT scan, Static 3DCT scan |
| AVIZO(9.3.0)* | Thermo Fisher Scientific (OR, USA) | Image processing software. Surface reconstruction from CT DICOM data and point cloud data. * Ryan, T. M. & Walker, A. Trabecular bone structure in the humeral and femoral heads of anthropoid primates. Anat Rec (Hoboken). 293 (4), 719-729, doi:10.1002/ar.21139, (2010). |
|
| Meshlab** | ISTI (Pisa, Italy) | N/A | Surface trimming and landmark picking ** MeshLab: an Open-Source Mesh Processing Tool. Sixth Eurographics Italian Chapter Conference, page 129-136, 2008. P. Cignoni, M. Callieri, M. Corsini, M. Dellepiane, F. Ganovelli, G. Ranzuglia |
| VTK(6.3.0)*** | Kitware (New York, USA) | N/A | Iterative Closest Points algorithm. Used in python language programming. *** https://vtk.org |
| Python(3.6.1) | Python Software Foundation | N/A | DICOM file processing to extract the point cloud from the bone cortex ('dicom.py' module). Calculation of the rotation matrices. (Numpy module) Sequential image regestration using ICP algorithm |
References
- Andriacchi, T. P., Alexander, E. J., Toney, M. K., Dyrby, C., Sum, J. A point cluster method for in vivo motion analysis: applied to a study of knee kinematics. Journal of Biomechanical Engineering. 120 (6), 743-749 (1998).
- Corazza, S., et al. A markerless motion capture system to study musculoskeletal biomechanics: visual hull and simulated annealing approach. Annals of Biomedical Engineering. 34 (6), 1019-1029 (2006).
- Reinschmidt, C., van den Bogert, A. J., Nigg, B. M., Lundberg, A., Murphy, N. Effect of skin movement on the analysis of skeletal knee joint motion during running. Journal of Biomechanics. 30 (7), 729-732 (1997).
- Burgess, R. C. The effect of a simulated scaphoid malunion on wrist motion. Journal of Hand Surgery. 12 (5 Pt 1), 774-776 (1987).
- Shoemaker, S. C., Markolf, K. L. Effects of joint load on the stiffness and laxity of ligament-deficient knees. An in vitro study of the anterior cruciate and medial collateral ligaments. Journal of Bone and Joint Surgery (American Volume). 67 (1), 136-146 (1985).
- Eckstein, F., Lohe, F., Muller-Gerbl, M., Steinlechner, M., Putz, R. Stress distribution in the trochlear notch. A model of bicentric load transmission through joints. Journal of Bone and Joint Surgery (British Volume). 76 (4), 647-653 (1994).
- Omid, R., et al. Biomechanical analysis of latissimus dorsi tendon transfer with and without superior capsule reconstruction using dermal allograft. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 28 (8), 1523-1530 (2019).
- Tsai, T. Y., Lu, T. W., Chen, C. M., Kuo, M. Y., Hsu, H. C. A volumetric model-based 2D to 3D registration method for measuring kinematics of natural knees with single-plane fluoroscopy. Medical Physics. 37 (3), 1273-1284 (2010).
- Ohnishi, T., et al. Three-dimensional motion study of femur, tibia, and patella at the knee joint from bi-plane fluoroscopy and CT images. Radiological Physics and Technology. 3 (2), 151-158 (2010).
- Dobbe, J. G. G., de Roo, M. G. A., Visschers, J. C., Strackee, S. D., Streekstra, G. J. Evaluation of a Quantitative Method for Carpal Motion Analysis Using Clinical 3-D and 4-D CT Protocols. IEEE Transactions on Medical Imaging. 38 (4), 1048-1057 (2019).
- Besl, P. J., McKay, N. D. A method for registration of 3-D shapes. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 14 (2), 239-256 (1992).
- Wu, G., et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion--part I: ankle, hip, and spine. Journal of Biomechanics. 35 (4), 543-548 (2002).
- Wu, G., et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate systems of various joints for the reporting of human joint motion--Part II: shoulder, elbow, wrist and hand. Journal of Biomechanics. 38 (5), 981-992 (2005).
- Crawford, N. R., Yamaguchi, G. T., Dickman, C. A. A new technique for determining 3-D joint angles: the tilt/twist method. Clinical Biomechanics (Bristol, Avon). 14 (3), 153-165 (1999).
- Sato, T., Koga, Y., Omori, G. Three-dimensional lower extremity alignment assessment system: application to evaluation of component position after total knee arthroplasty. Journal of Arthroplasty. 19 (5), 620-628 (2004).
- Ishii, Y., Terajima, K., Terashima, S., Koga, Y. Three-dimensional kinematics of the human knee with intracortical pin fixation. Clinical Orthopaedics and Related Research. (343), 144-150 (1997).
- Asano, T., Akagi, M., Tanaka, K., Tamura, J., Nakamura, T. In vivo three-dimensional knee kinematics using a biplanar image-matching technique. Clinical Orthopaedics and Related Research. (388), 157-166 (2001).
- Saltybaeva, N., Jafari, M. E., Hupfer, M., Kalender, W. A. Estimates of effective dose for CT scans of the lower extremities. Radiology. 273 (1), 153-159 (2014).
- Mat Jais, I. S., Tay, S. C. Kinematic analysis of the scaphoid using gated four-dimensional CT. Clinical Radiology. 72 (9), e791-e799 (2017).
- Tanaka, M. J., Elias, J. J., Williams, A. A., Demehri, S., Cosgarea, A. J. Characterization of patellar maltracking using dynamic kinematic CT imaging in patients with patellar instability. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 24 (11), 3634-3641 (2016).
- Troupis, J. M., Amis, B. Four-dimensional computed tomography and trigger lunate syndrome. Journal of Computer Assisted Tomography. 37 (4), 639-643 (2013).
- Kakar, S., et al. The Role of Dynamic (4D) CT in the Detection of Scapholunate Ligament Injury. Journal of Wrist Surgery. 5 (4), 306-310 (2016).
- Zhao, K., et al. A technique for quantifying wrist motion using four-dimensional computed tomography: approach and validation. Journal of Biomechanical Engineering. 137 (7), (2015).
- Breighner, R., et al. Relative accuracy of spin-image-based registration of partial capitate bones. in 4DCT of the wrist. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging & Visualization. 4 (6), 360-367 (2016).
- Goto, A., et al. In vivo pilot study evaluating the thumb carpometacarpal joint during circumduction. Clinical Orthopaedics and Related Research. 472 (4), 1106-1113 (2014).
- Zhang, X., Jian, L., Xu, M. Robust 3D point cloud registration based on bidirectional Maximum Correntropy Criterion. PloS One. 13 (5), e0197542 (2018).
- Baker, R. ISB recommendation on definition of joint coordinate systems for the reporting of human joint motion-part I: ankle, hip and spine. Journal of Biomechanics. 36 (2), 300-302 (2003).
- Qiu, B., et al. Automatic segmentation of the mandible from computed tomography scans for 3D virtual surgical planning using the convolutional neural network. Physics in Medicine and Biology. , (2019).
- Hemke, R., Buckless, C. G., Tsao, A., Wang, B., Torriani, M. Deep learning for automated segmentation of pelvic muscles, fat, and bone from CT studies for body composition assessment. Skeletal Radiology. , (2019).
- Lee, S., et al. Impact of scanning parameters and breathing patterns on image quality and accuracy of tumor motion reconstruction in 4D CBCT: a phantom study. Journal of Applied Clinical Medical Physics. 16 (6), 195-212 (2015).
