Análise de TC quadridimensional usando registro 3D-3D sequencial
Summary
Analisamos a cinemática articular a partir de dados de tomografia computadorizada quadridimensional. O método sequencial de registro 3D-3D fornece semiautomaticamente a cinemática do osso em movimento com relação ao osso sujeito a partir de dados de tomografia computadorizada quadridimensionais.
Abstract
A tomografia computadorizada quadridimensional (4DCT) fornece uma série de dados de volume e visualiza movimentos articulares. No entanto, a análise numérica dos dados 4DCT continua a ser difícil porque a segmentação em todos os quadros volumétricos é demorada. O objetivo é analisar a cinemática conjunta usando uma técnica sequencial de registro 3D-3D para fornecer a cinemática do osso em movimento com relação ao osso fixo semiautomaticamente usando dados 4DCT DICOM e software existente. Os dados de superfície dos ossos de origem são reconstruídos a partir do 3DCT. Os dados de superfície aparados são, respectivamente, combinados com dados de superfície do primeiro quadro em 4DCT. Estas superfícies aparadas são sequencialmente combinadas até o último quadro. Esses processos fornecem informações posicionais para ossos-alvo em todos os quadros do 4DCT. Uma vez que os sistemas de coordenação dos ossos alvo são decididos, os ângulos de tradução e rotação entre quaisquer dois ossos podem ser calculados. Esta análise 4DCT oferece vantagens em análises cinemáticas de estruturas complexas, como carpal ou ossos tarsal. No entanto, movimentos rápidos ou em grande escala não podem ser rastreados por causa de artefatos de movimento.
Introduction
A cinemática articular tem sido descrita usando uma série de metodologias, como sensores de captura de movimento, registro 2D-3D e estudos cadavéricos. Cada método tem vantagens e desvantagens específicas. Por exemplo, sensores de captura de movimento podem medir movimentos rápidos e em larga escala usando câmeras infravermelhas com ou sem sensores no assunto1,2. No entanto, estes métodos medem o movimento da pele para inferir a cinemática articular e, portanto, contêm erros de movimento da pele3.
Estudos cadavéricos têm sido utilizados para avaliar faixas de movimento, instabilidade e áreas de contato4,5,6. Essa abordagem pode medir pequenas alterações nas pequenas articulações usando TC ou sensores ópticos ligados diretamente ao osso usando pinos ou parafusos. Modelos cadavéricos podem avaliar principalmente movimentos passivos, embora múltiplos atuadores tenham sido usados para aplicar forças externas aos tendões para simular o movimento dinâmico7. O movimento conjunto ativo pode ser medido por técnicas de registro 2D-3D, combinando imagens 3DCT com imagens de fluoroscopia 2D. Embora a precisão do processo de registro permaneça controversa, a precisão relatada é geralmente alta o suficiente para grandes cinemáticas conjuntas8,9. No entanto, este método não pode ser aplicado a pequenos ossos ou ossos múltiplos em espaços estreitos.
Em contraste, o 4DCT é um método dinâmico de TC que obtém uma série de dados volumétricos. Movimentos conjuntos ativos podem ser analisados usando essa abordagem10. Esta tecnologia fornece dados posicionais 3D precisos de todas as substâncias dentro do pórtico do CT. Os movimentos conjuntos 3D são claramente visualizados em um espectador. No entanto, descrever a cinemática conjunta de uma série de dados de volume ainda é difícil, porque todos os ossos estão se movendo e nenhum marco pode ser rastreado durante os movimentos ativos in vivo.
Desenvolvemos um método para análise 4DCT que fornece a cinemática conjunta in vivo de ossos inteiros ao redor da articulação durante movimentos ativos. O objetivo deste artigo é apresentar nosso método, a técnica sequencial de registro 3D-3D para análise 4DCT, e mostrar resultados representativos obtidos usando este método.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nosso método permite a visualização e quantificação dos movimentos de ossos inteiros e fornece dados posicionais numéricos do osso em movimento com relação ao osso fixo a partir de dados 4DCT. Muitas ferramentas foram sugeridas para medir a cinemática conjunta. Marcadores de pele de movimento podem analisar os movimentos totais do corpo ao longo de um longo tempo. No entanto, este método contém erros de movimento da pele3. A cinemática articular deve ser estimada a partir do movimento …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudo foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional da nossa instituição (número de aprovação: 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 |
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