3D kinematisk analyse for funksjonell evaluering i rottemodellen av siattisk nerveknuseskade
Summary
Vi introduserer en kinematisk analysemetode som bruker et tredimensjonalt bevegelsesopptaksapparat som inneholder fire kameraer og databehandlingsprogramvare for å utføre funksjonelle evalueringer under grunnleggende forskning som involverer gnagermodeller.
Abstract
Sammenlignet med Sciatic Functional Index (SFI), er kinematisk analyse en mer pålitelig og følsom metode for å utføre funksjonelle evalueringer av sciatic nerveskade gnagermodeller. I denne protokollen beskriver vi en ny kinematisk analysemetode som bruker et tredimensjonalt (3D) bevegelsesopptaksapparat for funksjonelle evalueringer ved hjelp av en rottesiatisk nerveknuseskademodell. Først er rotten kjent med tredemølle gange. Markører festes deretter til de utpekte beinlandemerkene, og rotten er laget for å gå på tredemøllen med ønsket hastighet. I mellomtiden registreres rottebevegelsenes bakre lembevegelser ved hjelp av fire kameraer. Avhengig av programvaren som brukes, opprettes markørsporinger ved hjelp av både automatiske og manuelle moduser, og de ønskede dataene produseres etter subtile justeringer. Denne metoden for kinematisk analyse, som bruker et 3D-bevegelsesopptaksapparat, gir mange fordeler, inkludert overlegen presisjon og nøyaktighet. Mange flere parametere kan undersøkes under de omfattende funksjonsevalueringene. Denne metoden har flere mangler som krever vurdering: Systemet er dyrt, kan være komplisert å operere, og kan produsere dataavvik på grunn av hudforskyvning. Likevel er kinematisk analyse ved hjelp av et 3D-bevegelsesopptaksapparat nyttig for å utføre funksjonelle fremre og bakre lemevalueringer. I fremtiden kan denne metoden bli stadig mer nyttig for å generere nøyaktige vurderinger av ulike traumer og sykdommer.
Introduction
Sciatic Functional Index (SFI) er referansemetoden for å utføre funksjonelle sciatiske nerveevalueringer1. SFI har blitt mye vedtatt og brukes ofte i ulike funksjonelle evalueringsstudier på rottesjianerveskader2,3,4,5,6. Til tross for sin popularitet, er det flere problemer med SFI, inkludert automutilation7, felles kontraktur risiko, og smøring av fotavtrykk8. Disse problemene påvirker alvorlig sin prognostiske verdi9. Derfor kreves en alternativ, mindre feilutsatt metode som erstatning for SFI.
En slik alternativ metode er kinematisk analyse. Dette inkluderer omfattende ganganalyse ved hjelp av sporingsmarkører festet til benete landemerker eller ledd. Kinematisk analyse brukes i økende grad til funksjonelle evalueringer9. Denne metoden blir gradvis anerkjent som et pålitelig og følsomt verktøy for funksjonell evaluering10 uten manglene tilskrives SFI11,12.
I denne protokollen beskriver vi en rekke kinmatiske analyser som bruker et 3D-bevegelsesopptaksapparat bestående av en tredemølle, fire 120 Hz ladet koblede enhetskameraer (CCD) og programvare for databehandling (se Materialtabell). Denne kinematiske analysemetoden er forskjellig fra generell videogang- eller ganganalyseanalyse 13,14. To kameraer er plassert i forskjellige retninger for å registrere bakre lembevegelser fra en enkelt side. Deretter er en 3D digital modell av bakre lem konstruert ved hjelp av datagrafikk9. Vi kan beregne utpekte leddvinkler, for eksempel hofte, kne, ankel og tåledd, ved å nøye oppsummere de faktiske lemdimensjonene. I tillegg kan vi bestemme ulike parametere som skritt/trinnlengde og forholdet mellom holdningsfasen og svingfasen. Disse rekonstruksjonene er basert på en fullstendig rekonstruert 3D digital modell av bakre lemmer, generert fra data som overføres av to sett med kameraer. Selv det imaginære tyngdepunktet (CoG) banen kan beregnes automatisk.
Vi brukte dette 3D-bevegelsesopptaksapparatet til å innføre og vurdere flere kinetiske parametere som avslører funksjonelle endringer over tid i sammenheng med rottesiatisk nerveknuseskademodell.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne protokollen er en stabil og kontinuerlig vandrerotte den viktigste komponenten av kinematisk analyse. Tredemøllehastigheten ble satt til 20 cm/s. Denne ganghastigheten er på ingen måte ansett som “høy” hvis rotter beveger seg uten plassbegrensninger16. Likevel er denne hastigheten for rask for utrente rotter å stikke nde gå på tredemøllen og vil sannsynligvis resultere i en unormal gangart og ikke-uniform bevegelser. Disse hendelsene kan påvirke datapålitelighet en alvorlig og au…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne studien ble støttet av JSPS KAKENHI Grant Number JP19K19793, JP18H03129 og JP18K19739.
Materials
| 9-0 nylon suture | Bear Medic Corporation. | T06A09N20-25 | |
| Anesthetic Apparatus for Small Animals | SHINANO MFG CO.,LTD. | SN-487-0T | |
| ISOFLURANE Inhalation Solution | Pfizer Japan Inc. | (01)14987114133400 | |
| Kine Analyzer | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | A analysis software |
| Liquid adhesive | KANBO PRAS CORPORATION | PT-B180 | |
| Micro forceps | BRC CO. | 16171080 | |
| Motion Recorder | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | A recording software |
| Standard surgical hemostat | Fine Science Tools, Inc. | 12501-13 | |
| Surgical blade No.10 | FEATHER Safety Razor CO., LTD | 100D | |
| Surgical hemostat | World Precision Instruments | 503740 | |
| Three-dimensional motion capture apparatus (KinemaTracer for Animal) | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | A 3D motion analysis system that consists of cameras |
| Three-dimensional(3D) Calculator | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | A marker tracing software |
| Treadmill | MUROMACHI KIKAI CO.,LTD | MK-685 | a treadmill with affialiated the electrical schocker, transparent sheats and a speed control apparatus |
References
- Kanaya, F., Firrell, J. C., Breidenbach, W. C. Sciatic function index, nerve conduction tests, muscle contraction, and axon morphometry as indicators of regeneration. Plastic and Reconstructive Surgery. 98 (7), 1264-1274 (1996).
- Takhtfooladi, M. A., Jahanbakhsh, F., Takhtfooladi, H. A., Yousefi, K., Allahverdi, A. Effect of low-level laser therapy (685 nm, 3 J/cm(2)) on functional recovery of the sciatic nerve in rats following crushing lesion. Lasers in Medical Science. 30 (3), 1047-1052 (2015).
- Xing, H., Zhou, M., Assinck, P., Liu, N. Electrical stimulation influences satellite cell differentiation after sciatic nerve crush injury in rats. Muscle & Nerve. 51 (3), 400-411 (2015).
- Yang, C. C., Wang, J., Chen, S. C., Jan, Y. M., Hsieh, Y. L. Enhanced functional recovery from sciatic nerve crush injury through a combined treatment of cold-water swimming and mesenchymal stem cell transplantation. Neurological Research. 37 (90), 816-826 (2015).
- Jiang, W., et al. Low-intensity pulsed ultrasound treatment improved the rate of autograft peripheral nerve regeneration in rat. Scientific Reports. 6, 22773 (2016).
- Ni, X. J., et al. The Effect of Low-Intensity Ultrasound on Brain-Derived Neurotropic Factor Expression in a Rat Sciatic Nerve Crushed Injury Model. Ultrasound in Medicine & Biology. 43 (2), 461-468 (2017).
- Weber, R. A., Proctor, W. H., Warner, M. R., Verheyden, C. N. Autotomy and the sciatic functional index. Microsurgery. 14 (5), 323-327 (1993).
- Dellon, A. L., Mackinnon, S. E. Sciatic nerve regeneration in the rat. Validity of walking track assessment in the presence of chronic contractures. Microsurgery. 10 (3), 220-225 (1989).
- Wang, T., et al. Functional evaluation outcomes correlate with histomorphometric changes in the rat sciatic nerve crush injury model : A comparison between sciatic functional index and kinematic analysis. PLoS One. 13 (12), e0208985 (2018).
- de Ruiter, G. C., et al. Two-dimensional digital video ankle motion analysis for assessment of function in the rat sciatic nerve model. Journal of the Peripheral Nervous System. 12 (3), 216-222 (2007).
- Walker, J. L., Evans, J. M., Meade, P., Resig, P., Sisken, B. F. Gait-stance duration as a measure of injury and recovery in the rat sciatic nerve model. Journal of Neuroscience Methods. 52 (1), 47-52 (1994).
- Dijkstra, J. R., Meek, M. F., Robinson, P. H., Gramsbergen, A. Methods to evaluate functional nerve recovery in adult rats: walking track analysis, video analysis and the withdrawal reflex. Journal of Neuroscience Methods. 96 (2), 89-96 (2000).
- Lee, J. Y., et al. Functional evaluation in the rat sciatic nerve defect model: a comparison of the sciatic functional index, ankle angles, and isometric tetanic force. Plastic and Reconstructive Surgery. 132 (5), 1173-1180 (2013).
- Rui, J., et al. Gait cycle analysis: parameters sensitive for functional evaluation of peripheral nerve recovery in rat hind limbs. Annals of Plastic Surgery. 73 (4), 405-411 (2014).
- Yu, P., Matloub, H. S., Sanger, J. R., Narini, P. Gait analysis in rats with peripheral nerve injury. Muscle & Nerve. 24 (2), 231-239 (2001).
- Amado, S., et al. The sensitivity of two-dimensional hindlimb joint kinematics analysis in assessing functional recovery in rats after sciatic nerve crush. Behavioural Brain Research. 225 (2), 562-573 (2011).
- Monte-Raso, V. V., Barbieri, C. H., Mazzer, N., Yamasita, A. C., Barbieri, G. Is the Sciatic Functional Index always reliable and reproducible?. Journal of Neuroscience Methods. 170 (2), 255-261 (2008).
- Varejao, A. S. P., et al. Motion of the foot and ankle during the stance phase in rats. Muscle & Nerve. 26 (5), 630-635 (2002).
- Lin, F. M., Pan, Y. C., Hom, C., Sabbahi, M., Shenaq, S. Ankle stance angle: a functional index for the evaluation of sciatic nerve recovery after complete transection. Journal of Reconstructive Microsurgery. 12 (3), 173-177 (1996).
- Patel, M., et al. Video-gait analysis of functional recovery of nerve repaired with chitosan nerve guides. Tissue Engineering. 12 (11), 3189-3199 (2006).
- Filipe, V. M., et al. Effect of skin movement on the analysis of hindlimb kinematics during treadmill locomotion in rats. Journal of Neuroscience Methods. 153 (1), 55-61 (2006).
- Tajino, J., et al. Three-dimensional motion analysis for comprehensive understanding of gait characteristics after sciatic nerve lesion in rodents. Scientific Reports. 8 (1), 13585 (2018).
