Análise Cinética 3D para a Avaliação Funcional no modelo de rat da lesão ciática de esmagamento nervoso
Summary
Introduzimos um método de análise cinemática que usa um aparelho de captura de movimento tridimensional contendo quatro câmeras e software de processamento de dados para realizar avaliações funcionais durante pesquisas fundamentais envolvendo modelos de roedores.
Abstract
Em comparação com o Índice Funcional Ciático (SFI), a análise cinemática é um método mais confiável e sensível para a realização de avaliações funcionais de modelos de roedores ciáticos de lesões nervosas. Neste protocolo, descrevemos um novo método de análise cinética que usa um aparelho de captura de movimento tridimensional (3D) para avaliações funcionais usando um modelo de lesão de esmagamento de esmagamento de nervos ciático de ratos. Primeiro, o rato é familiarizado com a caminhada da esteira. Os marcadores são então anexados aos marcos ósseos designados e o rato é feito para andar na esteira na velocidade desejada. Enquanto isso, os movimentos posteriores dos membros do rato são registrados usando quatro câmeras. Dependendo do software utilizado, as traçações de marcadores são criadas usando modos automáticos e manuais e os dados desejados são produzidos após ajustes sutis. Este método de análise cinemática, que usa um aparelho de captura de movimento 3D, oferece inúmeras vantagens, incluindo precisão superior e precisão. Muitos mais parâmetros podem ser investigados durante as avaliações funcionais abrangentes. Este método tem várias deficiências que requerem consideração: O sistema é caro, pode ser complicado de operar, podendo produzir desvios de dados devido à mudança de pele. No entanto, a análise cinemática usando um aparelho de captura de movimento 3D é útil para realizar avaliações funcionais de membros anteriores e posteriores. No futuro, esse método pode se tornar cada vez mais útil para gerar avaliações precisas de vários traumas e doenças.
Introduction
O Índice Funcional Ciático (SFI) é o método de referência para a realização de avaliações de nervo ciático funcional1. O SFI tem sido amplamente adotado e é frequentemente utilizado dentro de vários estudos de avaliação funcional sobre lesões nervosas ciáticas de ratos2,3,4,5,6. Apesar de sua popularidade, há vários problemas com a SFI, incluindo automutilação7, risco de contratura conjunta e difamação das pegadas8. Esses problemas afetam seriamente seu valor prognóstico9. Portanto, um método alternativo, menos propenso a erros, é necessário como substituto para o SFI.
Um desses métodos alternativos é a análise cinemática. Isso inclui análise abrangente de marchas usando marcadores de rastreamento ligados a marcos ou articulações ósseas. A análise cinemática é cada vez mais utilizada para avaliações funcionais9. Este método está sendo reconhecido progressivamente como uma ferramenta confiável e sensível para avaliação funcional10 sem as deficiências atribuídas ao SFI11,12.
Neste protocolo, descrevemos uma série de análises cinemáticas que usam um aparelho de captura de movimento 3D composto por uma esteira, quatro câmeras de dispositivo acoplado carregado de 120 Hz (CCD) e software de processamento de dados (ver Tabela de Materiais). Este método de análise cinemática difere da análise geral de vídeo ou marcha13,14. Duas câmeras estão posicionadas em direções diferentes para registrar movimentos posteriores de membros de um único lado. Posteriormente, um modelo digital 3D do membro posterior é construído usando computação gráfica9. Podemos calcular ângulos articulares designados, como quadril, joelho, tornozelo e articulação do dedo do pé, recapitulando de perto as dimensões reais dos membros. Além disso, podemos determinar vários parâmetros, como passo/passo e a razão da fase de postura para a fase de oscilação. Essas reconstruções são baseadas em um modelo digital 3D completamente reconstruído dos membros posteriores, gerado a partir de dados transmitidos por dois conjuntos de câmeras. Mesmo a trajetória do centro imaginário de gravidade (CoG) pode ser calculada automaticamente.
Usamos este aparelho de captura de movimento 3D para introduzir e avaliar vários parâmetros cinémáticos que revelam mudanças funcionais ao longo do tempo no contexto do modelo de lesão de esmagamento do nervo ciático do rato.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste protocolo, um rato estável e continuamente ambulante é o componente mais vital da análise cinemática. A velocidade da esteira foi fixada em 20 cm/s. Essa velocidade de caminhada não é considerada “alta” se os ratos se moverem sem restrições de espaço16. No entanto, essa velocidade é muito rápida para ratos destreinados andarem na esteira e provavelmente resultariam em uma marcha anormal e movimentos não uniformes. Esses eventos podem afetar seriamente a confiabilidade e a autenti…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudo foi apoiado pelo JSPS KAKENHI Grant Number JP19K19793, JP18H03129 e 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 |
Referências
- 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).
