순차적 3D-3D 등록을 이용한 4차원 CT 분석
Summary
우리는 4차원 컴퓨터 단층 촬영 데이터에서 관절 운동학을 분석했습니다. 순차적 3D-3D 등록 방법은 4차원 컴퓨터 단층 촬영 데이터로부터 피사체 뼈에 대하여 움직이는 뼈의 운동학을 반자동으로 제공한다.
Abstract
4차원 컴퓨터 단층 촬영(4DCT)은 일련의 볼륨 데이터를 제공하고 관절 움직임을 시각화합니다. 그러나 모든 체적 프레임의 세분화는 시간이 많이 걸리기 때문에 4DCT 데이터의 수치 분석은 여전히 어렵습니다. 우리는 순차적 3D-3D 등록 기술을 사용하여 관절 운동학을 분석하여 4DCT DICOM 데이터와 기존 소프트웨어를 사용하여 고정 된 뼈에 대하여 움직이는 뼈의 운동학을 반자동으로 제공하는 것을 목표로했습니다. 원본 골격의 표면 데이터는 3DCT에서 재구성됩니다. 트리밍된 표면 데이터는 각각 4DCT의 첫 번째 프레임의 표면 데이터와 일치합니다. 이러한 잘린 서피스는 마지막 프레임까지 순차적으로 일치합니다. 이러한 프로세스는 4DCT의 모든 프레임에서 대상 골격에 대한 위치 정보를 제공합니다. 대상 골격의 좌표계가 결정되면 두 골격 간의 변환 및 회전 각도를 계산할 수 있습니다. 이 4DCT 분석은 손목 뼈 또는 타르살 뼈와 같은 복잡한 구조의 운동학적 분석에서 이점을 제공합니다. 그러나 모션 아티팩트로 인해 빠른 모션또는 대규모 모션을 추적할 수 없습니다.
Introduction
관절 운동학은 모션 캡처 센서, 2D-3D 등록 및 시체 연구와 같은 여러 가지 방법론을 사용하여 설명되었습니다. 각 방법에는 특정 장점과 단점이 있습니다. 예를 들어 모션 캡처 센서는 피사체1,2에센서가 있거나 없는 적외선 카메라를 사용하여 빠르고 대규모의 모션을 측정할 수 있습니다. 그러나 이러한 방법은 관절 운동학을 추론하기 위해 피부 운동을 측정하므로 피부 운동 오류3을포함합니다.
시체 연구는 운동, 불안정성 및 접촉 영역4,5,6의범위를 평가하는 데 사용되었습니다. 이 접근법은 핀이나 나사를 사용하여 뼈에 직접 부착된 CT 또는 광학 센서를 사용하여 작은 관절의 작은 변화를 측정할 수 있습니다. 카다브릭 모델은 주로 수동 모션을 평가할 수 있지만 여러 액추에이터가 동적 모션7을시뮬레이션하기 위해 힘줄에 외부 힘을 적용하는 데 사용되었습니다. 액티브 조인트 모션은 2D-3D 등록 기술로 측정할 수 있으며 3DCT 이미지를 2D 형광 투시 영상과 일치시킬 수 있습니다. 등록 과정의 정확성은 여전히 논란의 여지가 있지만, 보고된 정확도는 일반적으로 대형 관절 운동학8,9에대해 충분히 높다. 그러나 이 방법은 좁은 공간에서 작은 골격이나 여러 골격에 적용할 수 없습니다.
반면, 4DCT는 일련의 체적 데이터를 가져오는 동적 CT 방법입니다. 액티브 조인트 모션은 이러한 접근법10을사용하여 분석될 수 있다. 이 기술은 CT 갠트리 내부의 모든 물질의 정확한 3D 위치 데이터를 제공합니다. 3D 조인트 모션은 뷰어에서 명확하게 시각화됩니다. 그러나 이러한 일련의 볼륨 데이터에서 관절 운동학을 설명하는 것은 모든 골격이 움직이고 생체 내에서 활성 운동 중에 랜드마크를 추적할 수 없기 때문에 여전히 어렵습니다.
우리는 활성 운동 중에 관절 주위의 전체 뼈의 생체 내 관절 운동학을 제공하는 4DCT 분석을위한 방법을 개발했습니다. 이 문서의 목적은 4DCT 분석을 위한 순차적 3D-3D 등록 기법을 제시하고 이 방법을 사용하여 얻은 대표적인 결과를 보여주는 것입니다.
Protocol
여기에 설명된 모든 방법은 게이오 대학 의과 대학의 기관 검토 위원회에 의해 승인되었습니다. 참고: 관절 운동학은 고정된 골격 주위의 움직이는 뼈의 모션을 재구성하여 측정됩니다. 무릎 관절 운동학의 경우 대퇴골은 고정 된 뼈로 정의되고 경골은 움직이는 뼈로 정의됩니다. 1. CT 화상 진찰 프로토콜 CT 컴퓨터를 설정합니다. 320검출기-로우 CT …
Representative Results
우리는 무릎 확장 중 경골의 움직임을 설명합니다. 무릎 관절은 CT 갠트리에 위치시켰다. 삼각형 베개는 시작 위치에서 대퇴골을 지원하기 위해 사용되었다. 무릎은 10s. 방사선 노출의 과정을 통해 직선 위치로 확장되었다. 4DCT 이외에, 전체 대퇴골, 경골 및 슬개골의 정적 3DCT가 수행되었다. 전체 대퇴골과 경골의 표면 데이터를 재구성했습니다. 골 피질의 HU 수에 대한 임?…
Discussion
우리의 방법은 전체 뼈의 움직임을 시각화하고 정량화 할 수 있으며 4DCT 데이터에서 고정 된 뼈에 대해 움직이는 뼈의 수치 위치 데이터를 제공합니다. 관절 운동학을 측정하기 위해 많은 도구가 제안되었습니다. 모션 스킨 마커는 오랜 시간 동안 전체 신체 움직임을 분석할 수 있습니다. 그러나이 방법은 피부 모션 오류3을포함합니다. 관절 운동학은 인접한 뼈의 움직임에서 추?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 우리 기관의 기관 검토 위원회 (승인 번호 : 20150128)에 의해 승인되었습니다.
Materials
| 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 |
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Citer Cet Article
Oki, S., Kaneda, K., Yamada, Y., Yamada, M., Morishige, Y., Harato, K., Matsumura, N., Nagura, T., Jinzaki, M. Four-Dimensional CT Analysis Using Sequential 3D-3D Registration. J. Vis. Exp. (153), e59857, doi:10.3791/59857 (2019).