Рентгеновский анализ движения
Рентгеновский анализ движения — это метод, используемый для отслеживания движения объектов с помощью рентгеновских лучей . Это делается путем размещения объекта изображения в центре рентгеновского луча и записи движения с помощью усилителя изображения и высокоскоростной камеры , что позволяет снимать видео высокого качества много раз в секунду. В зависимости от настроек рентгеновских лучей этот метод может визуализировать определенные структуры объекта, такие как кости или хрящи . Рентгеновский анализ движения можно использовать для анализа походки , анализа движения суставов или записи движения костей, скрытых мягкими тканями . Способность измерять движения скелета является ключевым аспектом понимания биомеханики , энергетики и двигательного контроля позвоночных . [1]
Методы визуализации
[ редактировать ]
Планарный
[ редактировать ]Многие рентгеновские исследования проводятся с использованием одного рентгеновского излучателя и камеры. Этот тип визуализации позволяет отслеживать движения в двухмерной плоскости рентгеновского снимка. Движения выполняются параллельно плоскости изображения камеры, чтобы обеспечить точное отслеживание движения. [2] При анализе походки планарные рентгеновские исследования проводятся в сагиттальной плоскости , чтобы обеспечить высокоточное отслеживание крупных движений. [3] Разработаны методы, позволяющие оценить все шесть степеней свободы движения по плоскостному рентгеновскому снимку и модели отслеживаемого объекта. [4] [5]
бипланарный
[ редактировать ]Лишь немногие движения действительно плоские; [2] Планарная рентгеновская визуализация может уловить большую часть движений, но не все. Для точного захвата и количественной оценки всех трех измерений движения требуется бипланарная система визуализации. [2] Бипланарную визуализацию сложно выполнить, поскольку во многих учреждениях имеется доступ только к одному рентгеновскому излучателю. [1] С добавлением второго рентгеновского аппарата и системы камер двухмерная плоскость изображения расширяется до трехмерного изображения на пересечении рентгеновских лучей. Поскольку объем изображения находится на пересечении двух рентгеновских лучей, его общий размер ограничен площадью рентгеновских излучателей.
Методы отслеживания
[ редактировать ]Маркированный
[ редактировать ]В методах захвата движения для захвата изображения часто используются светоотражающие маркеры. При рентгеновской визуализации используются маркеры, которые на рентгеновских изображениях кажутся непрозрачными. [2] Это часто предполагает использование рентгеноконтрастных сфер, прикрепленных к объекту. Маркеры можно имплантировать в кости субъекта, которые затем будут видны на рентгеновских изображениях. [6] Этот метод требует хирургических процедур по имплантации и периода заживления, прежде чем субъект сможет пройти анализ движения. Для точного трехмерного отслеживания необходимо имплантировать как минимум три маркера в каждую отслеживаемую кость. [7] Маркеры также можно разместить на коже субъекта, чтобы отслеживать движение подлежащих костей, хотя маркеры, размещенные на коже, чувствительны к артефактам движения кожи. Это ошибки в измерении местоположения маркера, размещенного на коже, по сравнению с маркером, имплантированным в кость. Это происходит в местах, где мягкие ткани движутся более свободно, чем покрывающая их кожа. [2] [4] [6] [8] Затем маркеры отслеживаются относительно рентгеновских камер, и движения сопоставляются с местными анатомическими телами.
Безмаркерный
[ редактировать ]Новые технологии и программное обеспечение позволяют отслеживать движение без необходимости использования рентгеноконтрастных маркеров. Используя трехмерную модель отслеживаемого объекта, объект можно накладывать на изображения рентгеновского видео в каждом кадре. [7] Затем перемещения и вращения модели, а не набора маркеров, отслеживаются относительно рентгеновской камеры (камер). [7] Используя локальную систему координат, эти перемещения и вращения затем можно сопоставить со стандартными анатомическими движениями. Трехмерная модель объекта создается с помощью любого метода трехмерной визуализации, такого как МРТ или компьютерная томография. Преимущество безмаркерного отслеживания заключается в том, что это неинвазивный метод отслеживания, позволяющий избежать каких-либо осложнений, связанных с хирургическими операциями. Одна из трудностей связана с созданием трехмерной модели в исследованиях на животных, поскольку животных необходимо вводить седативными средствами или умерщвлять для сканирования.
Анализ
[ редактировать ]При планарной рентгеновской визуализации движения маркеров или тел отслеживаются с помощью специального программного обеспечения. Первоначальное предположение о местоположении для маркеров или тел предоставляется пользователем. Программное обеспечение, в зависимости от его возможностей, требует от пользователя вручную находить маркеры или тела для каждого кадра видео или может автоматически отслеживать местоположения по всему видео. Точность автоматического отслеживания должна контролироваться, и может потребоваться ручное перемещение маркеров или тел. После того как данные отслеживания сгенерированы для каждого интересующего маркера или тела, отслеживание применяется к местным анатомическим телам. Например, маркеры, расположенные на бедрах и коленях, будут отслеживать движение бедренной кости. Используя знания местной анатомии, эти движения затем можно перевести в анатомические термины движения в плоскости рентгеновского снимка. [2]
При бипланарной рентгеновской визуализации движения также отслеживаются с помощью специального программного обеспечения. Подобно планарному анализу, пользователь предоставляет начальное предположение о местоположении и либо отслеживает маркеры или тела вручную, либо программное обеспечение может отслеживать их автоматически. Однако бипланарный анализ требует, чтобы все отслеживание выполнялось на обоих видеокадрах одновременно, 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 расположить трехмерную модель объекта в соответствии с обоими видеокадрами. Данные отслеживания генерируются для каждого маркера или тела, а затем применяются к местным анатомическим телам. Данные отслеживания затем дополнительно определяются как анатомические условия движения в свободном пространстве. [7]
Приложения
[ редактировать ]Рентгеновский анализ движения можно использовать при анализе походки человека для измерения кинематики нижних конечностей. Походка на беговой дорожке или походка по земле [9] может быть измерена в зависимости от подвижности рентгеновской системы. Другие типы движений, такие как маневр с прыжком, [10] также были зафиксированы. Объединив рентгеновский анализ движения с силовыми платформами , анализ крутящего момента сустава . можно выполнить [10] [11] Реабилитация является важным применением рентгеновского анализа движений. Рентгеновская визуализация стала использоваться в медицинских диагностических целях вскоре после ее открытия в 1895 году. [12] Рентгеновский анализ движения можно использовать для визуализации суставов или анализа заболеваний, связанных с суставами. Его использовали для количественной оценки остеоартрита коленного сустава. [13] оценить коленного хряща , площади контакта [14] и проанализировать результаты восстановления вращательной манжеты плечевого сустава путем визуализации плечевого сустава , [15] среди других приложений.
Передвижение животных также можно анализировать с помощью рентгеновской визуализации. Пока животное можно поместить между рентгеновским излучателем и камерой, объект можно получить. Примерами изученных походок являются крысы, [8] [16] цесарка, [17] лошади, [6] двуногие птицы, [18] и лягушки, [11] среди других. Помимо локомоции, рентгеновский анализ движения использовался при изучении и исследовании других морфологических анализов движения, таких как жевание свиней. [2] и движение височно-нижнечелюстного сустава у кроликов. [19]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Гейтси, Стивен М.; Байер, Дэвид Б.; Дженкинс, Фариш А.; Дайал, Кеннет П. (1 июня 2010 г.). «Научное ротоскопирование: морфологический метод трехмерного анализа и визуализации движения». Журнал экспериментальной зоологии, часть A. 313 (5): 244–261. Бибкод : 2010JEZA..313..244G . дои : 10.1002/jez.588 . ISSN 1932-5231 . ПМИД 20084664 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Брейнерд, Элизабет Л.; Байер, Дэвид Б.; Гейтси, Стивен М.; Хедрик, Тайсон Л.; Мецгер, Кейт А.; Гилберт, Сюзанна Л.; Криско, Джозеф Дж. (1 июня 2010 г.). «Рентгеновская реконструкция движущейся морфологии (XROMM): точность, аккуратность и применение в сравнительных биомеханических исследованиях». Журнал экспериментальной зоологии, часть A. 313 (5): 262–279. Бибкод : 2010JEZA..313..262B . дои : 10.1002/jez.589 . ISSN 1932-5231 . ПМИД 20095029 .
- ^ Ты, БМ; Сий, П.; Андерст, В.; Ташман, С. (1 июня 2001 г.). «Измерение трехмерной кинематики скелета in vivo по последовательностям биплановых рентгенограмм: применение к кинематике колена». Транзакции IEEE по медицинской визуализации . 20 (6): 514–525. CiteSeerX 10.1.1.160.4765 . дои : 10.1109/42.929617 . ISSN 0278-0062 . ПМИД 11437111 . S2CID 9029951 .
- ^ Jump up to: а б Бэнкс, SA; Ходж, Вашингтон (1 июня 1996 г.). «Точное измерение кинематики трехмерной замены коленного сустава с помощью одноплоскостной рентгеноскопии». Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 43 (6): 638–649. дои : 10.1109/10.495283 . ISSN 0018-9294 . ПМИД 8987268 . S2CID 21845830 .
- ^ Фрегли, Бенджамин Дж.; Рахман, Хасиб А.; Бэнкс, Скотт А. (27 января 2005 г.). «Теоретическая точность сопоставления формы на основе моделей для измерения естественной кинематики колена с помощью одноплоскостной рентгеноскопии» . Журнал биомеханической инженерии . 127 (4): 692–699. дои : 10.1115/1.1933949 . ISSN 0148-0731 . ПМЦ 1635456 . ПМИД 16121540 .
- ^ Jump up to: а б с Роуч, Дж. М.; Пфау, Т.; Брайарс, Дж.; Унт, В.; Ченнон, SB; Веллер, Р. (1 октября 2014 г.). «Сагиттальная кинематика дистальных отделов конечностей внутри копытной капсулы, полученная с помощью высокоскоростной рентгеноскопии у шагающих и бегущих лошадей» . Ветеринарный журнал . 202 (1): 94–98. дои : 10.1016/j.tvjl.2014.06.014 . ПМИД 25163612 .
- ^ Jump up to: а б с д Миранда, Дэниел Л.; Шварц, Джоэл Б.; Лумис, Эндрю С.; Брейнерд, Элизабет Л.; Флеминг, Брейден К.; Криско, Джозеф Дж. (21 декабря 2011 г.). «Статическая и динамическая ошибка бипланарной системы видеорадиографии с использованием методов отслеживания на основе маркеров и без маркеров» . Журнал биомеханической инженерии . 133 (12): 121002. дои : 10.1115/1.4005471 . ISSN 0148-0731 . ПМЦ 3267989 . ПМИД 22206419 .
- ^ Jump up to: а б Бауман, Джей М.; Чанг, Ён-Хуэй (30 января 2010 г.). «Высокоскоростное рентгеновское видео демонстрирует значительные ошибки движений кожи при стандартной оптической кинематике во время передвижения крысы» . Журнал методов нейробиологии . 186 (1): 18–24. дои : 10.1016/j.jneumeth.2009.10.017 . ПМЦ 2814909 . ПМИД 19900476 .
- ^ Гуань, С.; Грей, Ха; Кейнежад, Ф.; Панди, МГ (1 января 2016 г.). «Мобильная биплановая система рентгеновской визуализации для измерения трехмерного динамического движения суставов во время ходьбы по земле». Транзакции IEEE по медицинской визуализации . 35 (1): 326–336. дои : 10.1109/TMI.2015.2473168 . ISSN 0278-0062 . ПМИД 26316030 . S2CID 5679052 .
- ^ Jump up to: а б МИРАНДА, ДЭНИЭЛ Л.; ФАДАЛЕ, ПОЛ Д.; ХАЛСТЫН, МАЙКЛ Дж.; ШАЛВОЙ, РОБЕРТ М.; МАЧАН, ДЖЕЙСОН Т.; ФЛЕМИНГ, БРЕЙДЕН К. (2013). «Биомеханика колена во время прыжка» . Медицина и наука в спорте и физических упражнениях . 45 (5): 942–951. дои : 10.1249/mss.0b013e31827bf0e4 . ПМЦ 3594620 . ПМИД 23190595 .
- ^ Jump up to: а б Эстли, Генри К.; Робертс, Томас Дж. (15 декабря 2014 г.). «Механика упругого нагружения и отдачи в прыжках бесов» . Журнал экспериментальной биологии . 217 (24): 4372–4378. дои : 10.1242/jeb.110296 . ISSN 0022-0949 . ПМИД 25520385 .
- ^ Дженкинс, Рон (1 января 2006 г.). «Рентгеновские методы: Обзор». Энциклопедия аналитической химии . John Wiley & Sons, Ltd. doi : 10.1002/9780470027318.a6801 . ISBN 9780470027318 .
- ^ Шарма, Гульшан Б.; Кунце, Грегор; Кукульски, Диана; Ронски, Джанет Л. (16 июля 2015 г.). «Проверка возможностей системы двойной рентгеноскопии 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 . ПМИД 26003485 .
- ^ Торхауэр, Эрик; Ташман, Скотт (01 октября 2015 г.). «Валидация метода сочетания бипланарной рентгенографии и магнитно-резонансной томографии для оценки контакта хряща коленного сустава» . Медицинская инженерия и физика . 37 (10): 937–947. doi : 10.1016/j.medengphy.2015.07.002 . ISSN 1873-4030 . ПМК 4604050 . ПМИД 26304232 .
- ^ Бей, Майкл Дж.; Клайн, Стефани К.; Зауэль, Роджер; Лок, Терренс Р.; Колович, Патрисия А. (1 января 2008 г.). «Измерение динамической кинематики плечелопаточного сустава in vivo: техника и предварительные результаты» . Журнал биомеханики . 41 (3): 711–714. doi : 10.1016/j.jbiomech.2007.09.029 . ISSN 0021-9290 . ПМК 2288548 . ПМИД 17996874 .
- ^ Боннан, Мэтью Ф.; Шульман, Джейсон; Варадхараджан, Радха; Гилберт, Кори; Уилкс, Мэри; Хорнер, Анджела; Брейнерд, Элизабет (2 марта 2016 г.). «Кинематика передних конечностей крыс, использующих XROMM, с последствиями для мелких эвтерианцев и их ископаемых родственников» . ПЛОС ОДИН . 11 (3): e0149377. Бибкод : 2016PLoSO..1149377B . дои : 10.1371/journal.pone.0149377 . ISSN 1932-6203 . ПМЦ 4775064 . ПМИД 26933950 .
- ^ Гейтси, Стивен М. (1 мая 1999 г.). «Функция задних конечностей цесарки. I: Кинорентгенографический анализ и эффекты скорости» . Журнал морфологии . 240 (2): 115–125. doi : 10.1002/(SICI)1097-4687(199905)240:2<115::AID-JMOR3>3.0.CO;2-Y . ISSN 1097-4687 . ПМИД 29847877 . S2CID 44168765 .
- ^ Камбич, Роберт Э.; Робертс, Томас Дж.; Гейтси, Стивен М. (01 августа 2014 г.). «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 . ПМИД 24855675 .
- ^ Хендерсон, Сара Э.; Десаи, Риддхи; Ташман, Скотт; Альмарса, Алехандро Х. (11 апреля 2014 г.). «Функциональный анализ височно-нижнечелюстного сустава кролика с использованием динамической биплановой визуализации» . Журнал биомеханики . 47 (6): 1360–1367. doi : 10.1016/j.jbiomech.2014.01.051 . ISSN 1873-2380 . ПМК 4010254 . ПМИД 24594064 .