تحليل الاشعه المقطعية رباعي الابعاد باستخدام التسجيل المتسلسل 3D-3D
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.
Protocol
Representative Results
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 …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تمت الموافقة علي هذه الدراسة من قبل مجلس المراجعة المؤسسية لمؤسستنا (رقم الموافقة: 20150128).
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 |
Riferimenti
- 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).
