Рентгеновский анализ движения - X-ray motion analysis

Рентгеновский анализ движения это метод, используемый для отслеживания движения объектов с помощью Рентгеновские лучи. Для этого помещают объект, который нужно отобразить, в центр рентгеновского луча и записывают движение с помощью усилитель изображения и высокоскоростная камера, что позволяет воспроизводить видео высокого качества много раз в секунду. В зависимости от настроек рентгеновских лучей, этот метод может визуализировать определенные структуры в объекте, такие как кости или же хрящ. Рентгеновский анализ движения может использоваться для выполнения анализ походки, проанализировать соединение движения, или запишите движение костей, скрытых мягких тканей. Способность измерять движения скелета - ключевой аспект понимания позвоночных. биомеханика, энергетика, и блок управления двигателем.[1]

Методы визуализации

Планарная рентгеновская система.

Планарный

Дальнейшая информация: Рентгеноскопия

Многие рентгеновские исследования выполняются с помощью одного рентгеновского излучателя и камеры. Этот тип изображения позволяет отслеживать движения в двумерной плоскости рентгеновского излучения. Движения выполняются параллельно плоскости изображения камеры для точного отслеживания движения.[2] В анализ походки, планарные рентгеновские исследования выполняются в сагиттальная плоскость чтобы обеспечить высокоточное отслеживание больших перемещений.[3] Были разработаны методы, позволяющие оценить все шесть степеней свободы движения от плоского рентгеновского снимка и модели отслеживаемого объекта.[4][5]

Пример настройки системы двухплоскостной рентгеноскопии, фиксирующей движения скелета крысы на беговой дорожке.

Бипланар

Некоторые движения действительно плоские;[2] Планарный рентгеновский снимок может зафиксировать большую часть движения, но не все его. Для точной регистрации и количественной оценки всех трех измерений движения требуется двухплоскостная система визуализации.[2] Бипланарную визуализацию выполнить сложно, потому что многие учреждения имеют доступ только к одному рентгеновскому излучателю.[1] С добавлением второй рентгеновской системы и камеры, двухмерная плоскость изображения расширяется до трехмерного объема изображения на пересечении рентгеновских лучей. Поскольку объем изображения находится на пересечении двух рентгеновских лучей, его общий размер ограничен площадью рентгеновских излучателей.

Методы отслеживания

Смотрите также: Захвата движения

Маркированный

Методы захвата движения часто используют отражающие маркеры для захвата изображения. В рентгеновской визуализации используются маркеры, которые кажутся непрозрачными на рентгеновских изображениях.[2] Это часто связано с использованием рентгеноконтрастных сфер, прикрепленных к объекту. Маркеры могут быть имплантированы в кости объекта, которые затем будут видны на рентгеновских изображениях.[6] Этот метод требует хирургических процедур для имплантации и периода заживления, прежде чем субъект сможет пройти анализ движений. Для точного трехмерного отслеживания необходимо имплантировать не менее трех маркеров на каждую кость для отслеживания.[7] Маркеры также могут быть размещены на коже субъекта, чтобы отслеживать движение подлежащих костей, хотя маркеры, размещенные на коже, чувствительны к артефактам движения кожи. Это ошибки при измерении местоположения маркера на коже по сравнению с маркером, имплантированным в кости. Это происходит в тех местах, где мягкие ткани движутся более свободно, чем покрывающая их кожа.[2][4][6][8] Затем маркеры отслеживаются относительно рентгеновской камеры (камер), и движения отображаются на местные анатомические тела.

Без маркера

Новые методы и программное обеспечение позволяют отслеживать движение без необходимости использования рентгеноконтрастных маркеров. Используя трехмерную модель отслеживаемого объекта, объект можно наложить на изображения рентгеновского видео в каждом кадре.[7] Затем перемещения и повороты модели, в отличие от набора маркеров, отслеживаются относительно рентгеновских камер.[7] Затем, используя локальную систему координат, эти перемещения и вращения можно сопоставить со стандартными анатомическими движениями. Трехмерная модель объекта создается с помощью любого метода трехмерной визуализации, такого как МРТ или компьютерная томография. Безмаркерное отслеживание имеет то преимущество, что является неинвазивным методом отслеживания, позволяющим избежать любых осложнений, связанных с операциями. Одна трудность возникает из-за создания трехмерной модели в исследованиях на животных, поскольку животных необходимо усыпить или умертвить для сканирования.

Анализ

Основная статья: Кинематика

При плоской рентгеновской визуализации движения маркеров или тел отслеживаются в специализированном программном обеспечении. Первоначальное предположение местоположения предоставляется пользователем для маркеров или тел. Программное обеспечение, в зависимости от его возможностей, требует, чтобы пользователь вручную находил маркеры или тела для каждого кадра видео, или может автоматически отслеживать местоположения по всему видео. Автоматическое отслеживание должно контролироваться на точность и может потребовать ручного перемещения маркеров или тел. После создания данных отслеживания для каждого интересующего маркера или тела отслеживание применяется к местным анатомическим телам. Например, маркеры, расположенные на бедре и колене, будут отслеживать движение бедренной кости. Используя знание местной анатомии, эти движения можно затем преобразовать в анатомические условия движения в плоскости рентгена.[2]

При двухплоскостной рентгенографии движения также отслеживаются в специализированном программном обеспечении. Подобно планарному анализу, пользователь дает начальное предположение о местоположении и либо вручную отслеживает маркеры, либо тела, либо программное обеспечение может отслеживать их автоматически. Однако двухплоскостной анализ требует, чтобы все отслеживание выполнялось одновременно на обоих видеокадрах, позиционируя объект в свободном пространстве. Обе рентгеновские камеры должны быть откалиброваны с использованием объекта известного объема. Это позволяет программному обеспечению определять положение камер относительно друг друга, а затем позволяет пользователю размещать трехмерную модель объекта в соответствии с обоими видеокадрами. Данные отслеживания генерируются для каждого маркера или тела, а затем применяются к местным анатомическим телам. Затем данные отслеживания далее определяются как анатомические условия движения в свободном пространстве.[7]

Приложения

Рентгеновский анализ движения может использоваться в анализ походки человека измерить кинематика нижних конечностей. Походка на беговой дорожке или по земле[9] можно измерить в зависимости от подвижности рентгеновской системы. Другие типы движений, например маневр в прыжке,[10] также были записаны. Сочетая рентгеновский анализ движения с силовые платформы, а совместный анализ крутящего момента может быть выполнено.[10][11] Реабилитация является важным приложением рентгеновского анализа движения. Рентгеновское изображение использовалось в медицинских диагностических целях вскоре после его открытия в 1895 году.[12] Рентгеновский анализ движения может использоваться для визуализации суставов или анализа заболеваний суставов. Он был использован для количественной оценки остеоартроз в колене,[13] оценивать коленный хрящ контактные площадки,[14] и проанализировать результаты ремонта вращающей манжеты, визуализируя плечевой сустав,[15] среди других приложений.

Передвижение животных также могут быть проанализированы с помощью рентгеновских снимков. Пока животное можно поместить между излучателем рентгеновского излучения и камерой, объект можно будет получить. Примеры походок, которые были изучены, - это крысы,[8][16] Гвинейская птица, цесарка,[17] лошади,[6] двуногие птицы[18] и лягушки,[11] среди прочего. Помимо передвижения, рентгеновский анализ движения использовался при изучении других движущихся морфологических анализов, таких как жевание свиней.[2] и движение височно-нижнечелюстного сустава у кроликов.[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Гейтси, Стивен М .; Байер, Дэвид Б .; Jenkins, Farish A .; Циферблат, Кеннет П. (01.06.2010). «Научное ротоскопирование: основанный на морфологии метод анализа и визуализации трехмерного движения». Журнал экспериментальной зоологии, часть А. 313 (5): 244–261. Дои:10.1002 / jez.588. ISSN  1932-5231. PMID  20084664.
  2. ^ а б c d е ж грамм Брейнерд, Элизабет Л .; Байер, Дэвид Б .; Гейтси, Стивен М .; Хедрик, Тайсон Л .; Metzger, Keith A .; Гилберт, Сюзанна Л .; Криско, Джозеф Дж. (01.06.2010). «Рентгеновская реконструкция движущейся морфологии (XROMM): точность, точность и приложения в сравнительных исследованиях биомеханики». Журнал экспериментальной зоологии, часть А. 313 (5): 262–279. Дои:10.1002 / jez.589. ISSN  1932-5231. PMID  20095029.
  3. ^ Вы, Б. М .; Siy, P .; Андерст, В .; Ташман, С. (01.06.2001). «Измерение in vivo трехмерной кинематики скелета из последовательностей биплановых рентгенограмм: приложение к кинематике колена». IEEE Transactions по медицинской визуализации. 20 (6): 514–525. CiteSeerX  10.1.1.160.4765. Дои:10.1109/42.929617. ISSN  0278-0062. PMID  11437111. S2CID  9029951.
  4. ^ а б Бэнкс, С. А .; Ходж, В. А. (1996-06-01). «Точное измерение кинематики трехмерного протезирования коленного сустава с помощью рентгеноскопии в одной плоскости». IEEE Transactions по биомедицинской инженерии. 43 (6): 638–649. Дои:10.1109/10.495283. ISSN  0018-9294. PMID  8987268. S2CID  21845830.
  5. ^ Fregly, Бенджамин Дж .; Rahman, Haseeb A .; Бэнкс, Скотт А. (27 января 2005 г.). «Теоретическая точность согласования формы на основе модели для измерения естественной кинематики коленного сустава с помощью одноплоскостной рентгеноскопии». Журнал биомеханической инженерии. 127 (4): 692–699. Дои:10.1115/1.1933949. ISSN  0148-0731. ЧВК  1635456. PMID  16121540.
  6. ^ а б c Roach, J.M .; Pfau, T .; Bryars, J .; Unt, V .; Ченнон, С. Б .; Веллер, Р. (2014-10-01). «Сагиттальная дистальная кинематика конечностей внутри копытной капсулы, полученная с помощью высокоскоростной рентгеноскопии при ходьбе и рыси лошадей». Ветеринарный журнал. 202 (1): 94–98. Дои:10.1016 / j.tvjl.2014.06.014. PMID  25163612.
  7. ^ а б c d Миранда, Дэниел Л .; Шварц, Джоэл Б.; Лумис, Эндрю С .; Брейнерд, Элизабет Л .; Fleming, Braden C .; Криско, Джозеф Дж. (21 декабря 2011 г.). «Статическая и динамическая ошибка системы двухплоскостной видеорадиографии с использованием методов слежения на основе маркеров и без маркеров». Журнал биомеханической инженерии. 133 (12): 121002. Дои:10.1115/1.4005471. ISSN  0148-0731. ЧВК  3267989. PMID  22206419.
  8. ^ а б Бауман, Джей М .; Чанг, Юн-Хуэй (30.01.2010). «Высокоскоростное рентгеновское видео демонстрирует значительные ошибки движения кожи при стандартной оптической кинематике во время передвижения крысы». Журнал методов неврологии. 186 (1): 18–24. Дои:10.1016 / j.jneumeth.2009.10.017. ЧВК  2814909. PMID  19900476.
  9. ^ Guan, S .; Gray, H.A .; Keynejad, F .; Панди, М. Г. (01.01.2016). «Мобильная бипланская рентгеновская система для измерения трехмерного динамического движения суставов во время походки над землей». IEEE Transactions по медицинской визуализации. 35 (1): 326–336. Дои:10.1109 / TMI.2015.2473168. ISSN  0278-0062. PMID  26316030. S2CID  5679052.
  10. ^ а б МИРАНДА, ДАНИЭЛЬ Л .; FADALE, PAUL D .; HULSTYN, Майкл Дж .; ШАЛВОЙ, РОБЕРТ М .; МАКАН, ДЖЕЙСОН Т .; ФЛЕМИНГ, БРЕДЕН К. (2013). «Биомеханика колена во время маневра с отрывом». Медицина и наука в спорте и физических упражнениях. 45 (5): 942–951. Дои:10.1249 / mss.0b013e31827bf0e4. ЧВК  3594620. PMID  23190595.
  11. ^ а б Астлей, Генри С .; Робертс, Томас Дж. (2014-12-15). «Механика упругого нагружения и отдачи при прыжках с анураном». Журнал экспериментальной биологии. 217 (24): 4372–4378. Дои:10.1242 / jeb.110296. ISSN  0022-0949. PMID  25520385.
  12. ^ Дженкинс, Рон (01.01.2006). «Рентгеновские методы: обзор». Энциклопедия аналитической химии. John Wiley & Sons, Ltd. Дои:10.1002 / 9780470027318.a6801. ISBN  9780470027318.
  13. ^ Sharma, Gulshan B .; Кунце, Грегор; Кукульски, Дайан; Ронски, Джанет Л. (2015-07-16). «Проверка возможностей двойной рентгеноскопической системы для определения деформации мягких тканей коленного сустава in-vivo: стратегия управления ошибками регистрации». Журнал биомеханики. 48 (10): 2181–2185. Дои:10.1016 / j.jbiomech.2015.04.045. ISSN  1873-2380. PMID  26003485.
  14. ^ Торхауэр, Эрик; Ташман, Скотт (01.10.2015). «Валидация метода комбинирования двухплоскостной рентгенографии и магнитно-резонансной томографии для оценки контакта с хрящом коленного сустава». Медицинская инженерия и физика. 37 (10): 937–947. Дои:10.1016 / j.medengphy.2015.07.002. ISSN  1873-4030. ЧВК  4604050. PMID  26304232.
  15. ^ Бей, Майкл Дж .; Клайн, Стефани К .; Зауэль, Роджер; Лок, Терренс Р .; Колович, Патриция А. (01.01.2008). «Измерение динамической кинематики плечевого сустава in vivo: методика и предварительные результаты». Журнал биомеханики. 41 (3): 711–714. Дои:10.1016 / j.jbiomech.2007.09.029. ISSN  0021-9290. ЧВК  2288548. PMID  17996874.
  16. ^ Боннан, Мэтью Ф .; Шульман, Джейсон; Варадхараджан, Радха; Гилберт, Кори; Уилкс, Мэри; Хорнер, Анджела; Брейнерд, Элизабет (2 марта 2016 г.). «Кинематика передних конечностей крыс с использованием XROMM, с последствиями для мелких евтерианцев и их ископаемых родственников». PLOS ONE. 11 (3): e0149377. Дои:10.1371 / journal.pone.0149377. ISSN  1932-6203. ЧВК  4775064. PMID  26933950.
  17. ^ Гейтси, Стивен М. (1999-05-01). «Функция задних конечностей цесарок. I: Синерадиографический анализ и скоростные эффекты». Журнал морфологии. 240 (2): 115–125. Дои:10.1002 / (SICI) 1097-4687 (199905) 240: 2 <115 :: AID-JMOR3> 3.0.CO; 2-Y. ISSN  1097-4687. PMID  29847877.
  18. ^ Камбич, Роберт Э .; Робертс, Томас Дж .; Гейтси, Стивен М. (2014-08-01). «Вращение по длинной оси: недостающая степень свободы при двуногом передвижении птиц». Журнал экспериментальной биологии. 217 (15): 2770–2782. Дои:10.1242 / jeb.101428. ISSN  0022-0949. PMID  24855675.
  19. ^ Хендерсон, Сара Э .; Десаи, Риддхи; Ташман, Скотт; Альмарса, Алехандро Дж. (11 апреля 2014 г.). «Функциональный анализ височно-нижнечелюстного сустава кролика с использованием динамической двухплоскостной визуализации». Журнал биомеханики. 47 (6): 1360–1367. Дои:10.1016 / j.jbiomech.2014.01.051. ISSN  1873-2380. ЧВК  4010254. PMID  24594064.