Analýza rentgenového pohybu - X-ray motion analysis

Analýza rentgenového pohybu je technika používaná ke sledování pohybu objektů pomocí Rentgenové záření. To se provádí umístěním subjektu, který má být zobrazen, do středu rentgenového paprsku a zaznamenáním pohybu pomocí zesilovač obrazu a a vysokorychlostní fotoaparát, což umožňuje vysoce kvalitní videa vzorkovaná mnohokrát za sekundu. V závislosti na nastavení rentgenových paprsků může tato technika vizualizovat specifické struktury v objektu, například kosti nebo chrupavka. K provedení lze použít rentgenovou pohybovou analýzu analýza chůze, analyzovat kloub pohyb nebo zaznamenat pohyb kostí zakrytých měkké tkáně. Schopnost měřit kosterní pohyby je klíčovým aspektem pro pochopení obratlovců biomechanika, energetika, a ovládání motoru.[1]

Zobrazovací metody

Rovinný rentgenový systém.

Rovinný

Další informace: Fluoroskopie

Mnoho rentgenových studií se provádí pomocí jediného rentgenového zářiče a kamery. Tento typ zobrazování umožňuje sledovat pohyby v dvourozměrné rovině rentgenového záření. Pohyby se provádějí rovnoběžně se zobrazovací rovinou fotoaparátu, aby bylo možné pohyb přesně sledovat.[2] v analýza chůze, planární rentgenové studie se provádějí v sagitální letadlo umožňující vysoce přesné sledování velkých pohybů.[3] Byly vyvinuty metody, které umožňují odhadnout vše šest stupňů volnosti pohybu z rovinného rentgenového záření a modelu sledovaného objektu.[4][5]

Příklad nastavení systému biplanární fluoroskopie, zachycující pohyby kostry krysy na běžeckém pásu.

Biplanární

Několik pohybů je skutečně rovinných;[2] planární rentgenové snímkování dokáže zachytit většinu pohybu, ale ne všechno. Přesné zachycení a kvantifikace všech tří dimenzí pohybu vyžaduje biplanární zobrazovací systém.[2] Biplanární zobrazování je obtížné provést, protože mnoho zařízení má přístup pouze k jednomu rentgenovému emitoru.[1] S přidáním druhého rentgenového a kamerového systému se 2-D rovina zobrazování rozšiřuje na 3-D objem zobrazování v průsečíku rentgenových paprsků. Vzhledem k tomu, že se objem zobrazení nachází v průsečíku dvou rentgenových paprsků, je jeho celková velikost omezena oblastí rentgenových zářičů.

Techniky sledování

Viz také: Zachycení pohybu

Označené

Techniky zachycení pohybu často používají k zachycení obrazu reflexní značky. V rentgenovém zobrazování se používají značky, které se na rentgenových obrazech zdají neprůhledné.[2] To často zahrnuje použití neprůhledných koulí připojených k předmětu. Značky mohou být implantovány do kostí subjektu, které by se pak objevily na rentgenových snímcích viditelné.[6] Tato metoda vyžaduje chirurgické postupy pro implantaci a dobu hojení, než může subjekt podstoupit pohybovou analýzu. Pro přesné 3D sledování je třeba na každou sledovanou kost implantovat alespoň tři značky.[7] Značky lze také umístit na kůži subjektu, aby sledovaly pohyb podkladových kostí, ačkoli značky umístěné na kůži jsou citlivé na artefakty pohybu kůže. Jedná se o chyby v měření polohy markeru umístěného na kůži ve srovnání s markerem implantovaným do kosti. K tomu dochází v místech, kde se měkká tkáň pohybuje volněji než překrývající se kůže.[2][4][6][8] Značky jsou poté sledovány vzhledem k rentgenové kameře (kamerám) a pohyby jsou mapovány na místní anatomická těla.

Bez značky

Rozvíjející se techniky a software umožňují sledovat pohyb bez potřeby rentgenově neprůhledných značek. Použitím 3D modelu sledovaného objektu může být objekt překryt na obrazy rentgenového videa v každém snímku.[7] Překlady a rotace modelu, na rozdíl od sady značek, jsou poté sledovány vzhledem k rentgenové kameře.[7] Pomocí lokálního souřadnicového systému lze tyto překlady a rotace mapovat na standardní anatomické pohyby. 3D model objektu je generován jakoukoli 3D zobrazovací technikou, jako je například MRI nebo CT. Výhodou sledování bez značek je, že jde o neinvazivní metodu sledování, která se vyhne jakýmkoli komplikacím v důsledku operací. Jedním problémem je generování 3-D modelu ve studiích na zvířatech, protože zvířata musí být pro skenování sedativa nebo obětována.

Analýza

Hlavní článek: Kinematika

V rovinném rentgenovém zobrazování jsou pohyby značek nebo těl sledovány ve specializovaném softwaru. Počáteční odhad polohy je poskytnut uživatelem pro značky nebo těla. Software v závislosti na svých schopnostech vyžaduje, aby uživatel ručně vyhledal značky nebo těla pro každý snímek videa, nebo může automaticky sledovat umístění v celém videu. Automatické sledování musí být sledováno z hlediska přesnosti a může vyžadovat ruční přemístění značek nebo těl. Po vygenerování sledovacích dat pro každý marker nebo sledované tělo se sledování použije na místní anatomická těla. Například značky umístěné na kyčli a koleni by sledovaly pohyb stehenní kosti. Pomocí znalostí místní anatomie lze tyto pohyby poté přeložit do anatomické pojmy pohybu v rovině rentgenového záření.[2]

Při biplanárním rentgenovém zobrazování jsou pohyby také sledovány ve specializovaném softwaru. Podobně jako u planární analýzy uživatel poskytuje počáteční odhad polohy a buď sleduje značky nebo těla ručně, nebo je může software automaticky sledovat. Biplanární analýza však vyžaduje, aby bylo veškeré sledování prováděno na obou videozáznamech současně, a to tak, že bude objekt umístěn do volného prostoru. Obě rentgenové kamery musí být kalibrovány pomocí objektu známého objemu. To umožňuje softwaru lokalizovat polohy kamer vůči sobě navzájem a poté umožňuje uživateli umístit 3D model objektu v souladu s oběma videozáznamy. Data pro sledování se generují pro každý marker nebo tělo a poté se aplikují na místní anatomická těla. Sledovací data jsou dále definována jako anatomické pojmy pohybu ve volném prostoru.[7]

Aplikace

Lze použít rentgenovou analýzu pohybu analýza lidské chůze měřit kinematika dolních končetin. Běžecký pás nebo nadzemní chůze[9] lze měřit v závislosti na mobilitě rentgenového systému. Jiné typy pohybů, jako je skokový manévr,[10] byly také zaznamenány. Kombinací rentgenové analýzy pohybu s silové platformy, a společná analýza točivého momentu lze provést.[10][11] Rehabilitace je důležitá aplikace rentgenové pohybové analýzy. Rentgenové zobrazování se používá pro lékařské diagnostické účely krátce po svém objevu v roce 1895.[12] Rentgenovou pohybovou analýzu lze využít při zobrazování kloubů nebo při analýze onemocnění souvisejících s kloubem. Používá se ke kvantifikaci artróza v koleni,[13] odhad kolenní chrupavka kontaktní oblasti,[14] a analyzovat výsledky opravy manžety rotátoru zobrazením ramenní kloub,[15] mimo jiné.

Pohyb zvířat lze také analyzovat pomocí rentgenového zobrazování. Dokud lze zvíře umístit mezi rentgenový zářič a kameru, může být subjekt zobrazen. Příklady studovaných kroků jsou krysy,[8][16] perlička,[17] koně,[6] bipedální ptáci,[18] a žáby,[11] mezi ostatními. Kromě lokomoce byla rentgenová pohybová analýza použita při studiu a výzkumu dalších pohyblivých morfologických analýz, jako je například mastication prasat[2] a pohyb temporomandibulární kloub u králíků.[19]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Gatesy, Stephen M .; Baier, David B .; Jenkins, Farish A .; Dial, Kenneth P. (01.06.2010). "Vědecký rotoscoping: morfologická metoda 3D analýzy a vizualizace pohybu". Journal of Experimental Zoology Part A. 313 (5): 244–261. doi:10,1002 / jez 588. ISSN  1932-5231. PMID  20084664.
  2. ^ A b C d E F G Brainerd, Elizabeth L .; Baier, David B .; Gatesy, Stephen M .; Hedrick, Tyson L .; Metzger, Keith A .; Gilbert, Susannah L .; Crisco, Joseph J. (01.06.2010). „Rentgenová rekonstrukce pohyblivé morfologie (XROMM): přesnost, přesnost a aplikace ve srovnávacím výzkumu biomechaniky“. Journal of Experimental Zoology Part A. 313 (5): 262–279. doi:10,1002 / jez 589. ISSN  1932-5231. PMID  20095029.
  3. ^ Ty, B. M .; Siy, P .; Anderst, W .; Tashman, S. (2001-06-01). "In vivo měření 3-D kosterní kinematiky ze sekvencí dvouplošných rentgenových snímků: aplikace na kolenní kinematiku". Transakce IEEE na lékařském zobrazování. 20 (6): 514–525. CiteSeerX  10.1.1.160.4765. doi:10.1109/42.929617. ISSN  0278-0062. PMID  11437111. S2CID  9029951.
  4. ^ A b Banks, S. A .; Hodge, W. A. ​​(01.06.1996). "Přesné měření trojrozměrné kinematiky náhrady kolena pomocí jednoplošné fluoroskopie". Transakce IEEE na biomedicínském inženýrství. 43 (6): 638–649. doi:10.1109/10.495283. ISSN  0018-9294. PMID  8987268. S2CID  21845830.
  5. ^ Fregly, Benjamin J .; Rahman, Haseeb A .; Banks, Scott A. (2005-01-27). „Teoretická přesnost modelové shody tvarů pro měření kinematiky přirozeného kolene pomocí jednoplošné fluoroskopie“. Journal of Biomechanical Engineering. 127 (4): 692–699. doi:10.1115/1.1933949. ISSN  0148-0731. PMC  1635456. PMID  16121540.
  6. ^ A b C Roach, J. M .; Pfau, T .; Bryars, J .; Unt, V .; Channon, S. B .; Weller, R. (01.10.2014). „Sagitální kinematika distálních končetin uvnitř kapsle kopyta zachycená pomocí vysokorychlostní fluoroskopie u chodících a klusajících koní“. Veterinární věstník. 202 (1): 94–98. doi:10.1016 / j.tvjl.2014.06.014. PMID  25163612.
  7. ^ A b C d Miranda, Daniel L .; Schwartz, Joel B .; Loomis, Andrew C .; Brainerd, Elizabeth L .; Fleming, Braden C .; Crisco, Joseph J. (2011-12-21). „Statická a dynamická chyba biplanárního videoradiografického systému využívající techniky sledování založené na značkách a bez značek“. Journal of Biomechanical Engineering. 133 (12): 121002. doi:10.1115/1.4005471. ISSN  0148-0731. PMC  3267989. PMID  22206419.
  8. ^ A b Bauman, Jay M .; Chang, Young-Hui (2010-01-30). „Vysokorychlostní rentgenové video demonstruje významné chyby v pohybu kůže se standardní optickou kinematikou během lokomoce potkana“. Journal of Neuroscience Methods. 186 (1): 18–24. doi:10.1016 / j.jneumeth.2009.10.017. PMC  2814909. PMID  19900476.
  9. ^ Guan, S .; Gray, H. A .; Keynejad, F .; Pandy, M. G. (01.01.2016). „Mobilní dvouplošník rentgenového zobrazovacího systému pro měření 3D dynamického pohybu kloubů během nadzemní chůze“. Transakce IEEE na lékařském zobrazování. 35 (1): 326–336. doi:10.1109 / TMI.2015.2473168. ISSN  0278-0062. PMID  26316030. S2CID  5679052.
  10. ^ A b MIRANDA, DANIEL L .; FADALE, PAUL D .; HULSTYN, MICHAEL J .; SHALVOY, ROBERT M .; MACHAN, JASON T .; FLEMING, BRADEN C. (2013). „Kolenní biomechanika během skokového manévru“. Medicína a věda ve sportu a cvičení. 45 (5): 942–951. doi:10,1249 / mss.0b013e31827bf0e4. PMC  3594620. PMID  23190595.
  11. ^ A b Astley, Henry C .; Roberts, Thomas J. (2014-12-15). „Mechanika pružného zatížení a zpětného rázu při anuranském skákání“. Journal of Experimental Biology. 217 (24): 4372–4378. doi:10.1242 / jeb.110296. ISSN  0022-0949. PMID  25520385.
  12. ^ Jenkins, Ron (01.01.2006). „X-Ray Techniques: Overview“. Encyclopedia of Analytical Chemistry. John Wiley & Sons, Ltd. doi:10.1002 / 9780470027318.a6801. ISBN  9780470027318.
  13. ^ Sharma, Gulshan B .; Kuntze, Gregor; Kukulski, Diane; Ronsky, Janet L. (2015-07-16). „Ověření schopností duálního fluoroskopického systému pro stanovení deformace měkkých tkání kloubu kolena in-vivo: Strategie pro správu chyb registrace“. Journal of Biomechanics. 48 (10): 2181–2185. doi:10.1016 / j.jbiomech.2015.04.045. ISSN  1873-2380. PMID  26003485.
  14. ^ Thorhauer, Eric; Tashman, Scott (01.10.2015). „Ověření metody pro kombinaci biplanární rentgenové a magnetické rezonance k odhadu kontaktu kolenní chrupavky“. Lékařské inženýrství a fyzika. 37 (10): 937–947. doi:10.1016 / j.medengphy.2015.07.002. ISSN  1873-4030. PMC  4604050. PMID  26304232.
  15. ^ Bey, Michael J .; Kline, Stephanie K .; Zauel, Roger; Lock, Terrence R .; Kolowich, Patricia A. (01.01.2008). „Měření dynamické kinematiky glenohumerálního kloubu in-vivo: technika a předběžné výsledky“. Journal of Biomechanics. 41 (3): 711–714. doi:10.1016 / j.jbiomech.2007.09.029. ISSN  0021-9290. PMC  2288548. PMID  17996874.
  16. ^ Bonnan, Matthew F .; Shulman, Jason; Varadharajan, Radha; Gilbert, Corey; Wilkes, Mary; Horner, Angela; Brainerd, Elizabeth (02.03.2016). „Foremimb Kinematics of Rats using XROMM, with Implications for Small Eutherians and their Fossil Príbuzní“. PLOS ONE. 11 (3): e0149377. doi:10.1371 / journal.pone.0149377. ISSN  1932-6203. PMC  4775064. PMID  26933950.
  17. ^ Gatesy, Stephen M. (01.05.1999). „Funkce zadních končetin perličky. I: Cineradiografická analýza a rychlostní efekty“. Journal of Morphology. 240 (2): 115–125. doi:10.1002 / (SICI) 1097-4687 (199905) 240: 2 <115 :: AID-JMOR3> 3.0.CO; 2-Y. ISSN  1097-4687. PMID  29847877.
  18. ^ Kambic, Robert E .; Roberts, Thomas J .; Gatesy, Stephen M. (01.08.2014). „Rotace na dlouhé ose: chybějící stupeň volnosti v bipedální lokaci ptáků“. Journal of Experimental Biology. 217 (15): 2770–2782. doi:10.1242 / jeb.101428. ISSN  0022-0949. PMID  24855675.
  19. ^ Henderson, Sarah E .; Desai, Riddhi; Tashman, Scott; Almarza, Alejandro J. (04.04.2014). „Funkční analýza temporomandibulárního kloubu králíka pomocí dynamického dvojplošníkového zobrazování“. Journal of Biomechanics. 47 (6): 1360–1367. doi:10.1016 / j.jbiomech.2014.01.051. ISSN  1873-2380. PMC  4010254. PMID  24594064.