本方案采用基于直接线性变换校准的立体成像相机系统,用于采集三维数据 原位 拉伸状态下周围神经的位移。通过捕捉这些位移,可确定在不同拉伸程度下所诱发的应变,从而明确与拉伸相关的神经损伤阈值,推动基于拉伸机制的神经修复科学的发展。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本方案采用基于直接线性变换校准的立体成像相机系统,用于采集三维数据 原位 拉伸状态下周围神经的位移。通过捕捉这些位移,可确定在不同拉伸程度下所诱发的应变,从而明确与拉伸相关的神经损伤阈值,推动基于拉伸机制的神经修复科学的发展。
周围神经在发育、正常关节运动、损伤以及近期的手术修复过程中会经历生理性和非生理性拉伸。了解周围神经对拉伸的生物力学响应,对于理解其在不同载荷条件下的反应至关重要,从而有助于优化治疗策略和外科干预措施。本方案详细描述了通过直接线性变换法对立体成像相机系统进行校准的过程,以及对三维位移的追踪方法 原位 通过校准的立体成像相机系统捕获的视频文件三维坐标,获得拉伸过程中周围神经的组织位移。
从获得的三维坐标中,可计算拉伸状态下周围神经的神经长度、神经长度变化量以及随时间变化的应变百分比。使用立体成像相机系统可提供一种非侵入性方法,用于捕捉周围神经在拉伸过程中的三维位移。直接线性变换技术能够实现对拉伸过程中周围神经长度的三维重建,从而测量应变。目前尚无任何方法可用于研究 原位 使用通过直接线性变换校准的立体成像相机系统测量拉伸周围神经的应变。捕捉 原位 周围神经在受到拉伸时的应变不仅有助于临床医生理解神经过度拉伸所致损伤的潜在机制,还可为依赖拉伸干预的治疗策略优化提供支持。本文所述方法有望加深我们对周围神经在拉伸条件下生物力学响应的理解,从而改善神经损伤管理和康复领域的患者预后。
周围神经(PNs)在发育、生长、正常关节运动、损伤和手术过程中会受到牵拉1。周围神经具有黏弹性特性,可在日常活动中保护神经2,3,并维持其神经纤维的结构健康2。由于周围神经对机械牵拉的反应已被证实取决于神经纤维损伤类型4、邻近结缔组织的损伤情况2,4以及测试方法(如加载速率或方向)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,因此有必要区分周围神经在慢速和快速牵拉条件下,于生理活动范围与非生理性活动范围内的生物力学反应差异。这有助于进一步理解牵拉所致周围神经损伤的机制,并为及时且优化的干预措施提供支持1,4,15,16。目前物理治疗领域日益重视基于神经生理学与生物力学之间关系的评估与干预策略17。通过了解不同载荷条件下周围神经生物力学特性的差异,物理治疗师能够更好地调整现有的干预方案17。
现有PNs在拉伸刺激下的生物力学数据仍存在差异,这可能归因于测试设备与实验程序的不同,以及伸长数据在分析方法上的差异5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16此外,测量三维(3D) 原位 神经移位在现有文献中描述尚不充分。既往研究采用立体成像技术以最大限度提高对椎间关节囊组织位移三维重建的准确性。18,19直接线性变换(DLT)技术能够将两个或多个二维(2D)视图转换为三维真实世界坐标(即,以 mm 为单位)20,21,22DLT 为立体成像相机系统提供了一种高精度的标定方法,因为它能够精确重建三维位置,校正镜头畸变、相机参数和图像坐标,并允许立体成像相机系统的配置具有灵活性。20,21,22使用DLT校准的立体成像相机系统的研究通常用于步态与运动分析22,23本方案旨在提供一种详细的方法,用于确定 原位 使用DLT校准的立体成像相机系统和开源追踪软件对不同程度拉伸的PNs菌株进行应变分析22.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
所述所有操作均经德雷克塞尔大学机构动物护理与使用委员会(IACUC)批准。新生仔猪来自位于美国宾夕法尼亚州的美国农业部(USDA)认证养殖场。
1. 立体成像系统设置

图1:立体成像相机系统。(A)平行式立体成像相机系统,包含两个相机(左相机和右相机),基线间距为63 mm。(B)立体成像相机系统及支架装置的示意图。请点击此处查看此图的放大版本。
2. 立体成像系统DLT校准——对三维控制体进行数字化处理

图 2:三维控制体积与带脚踏开关的数字化仪。(A)三维控制体积的示意图。(B)用于数字化三维控制体积以获取(x, y, z)坐标的数字化仪组件,坐标单位为 mm。缩写:3D = 三维。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 立体成像相机系统的校准——直接线性变换系数的生成

图3:使用立体成像相机系统获取三维控制体积图像并进行直接线性变换校准的示意图。(A)将立体成像相机系统固定在支架上,并通过USB Type-C线缆连接至笔记本电脑。将三维控制体积置于立体成像相机系统下方6 cm处。(B)使用成像软件拍摄三维控制体积的图像。输出图像为左、右相机图像的合并图像。(C)通过自定义MATLAB代码,将合并的输出图像分离为三维控制体积的左、右单幅图像。缩写:3D = 三维。请点击此处查看此图的放大版本。

图 4:立体相机成像系统左右相机视图的直接线性变换(DLT)系数生成示意图。(A)运行 DLTcal5.m22,在 controls 窗口中点击 initialize,然后选择包含 3D 控制体数字化 (x, y, z) 坐标(单位:mm)的 *.csv 文件。(B)选择左相机视图的标定图像,然后按照先前数字化的相同顺序依次选择图像上的点,随后点击 compute coefficients,以生成左相机视图的 DLT 系数。接着点击 Add camera,重复相同步骤用于右相机视图。(C)选择右相机视图的标定图像,然后按照相同顺序依次选择图像上的点,随后点击 compute coefficients,以生成右相机视图的 DLT 系数。(D)点击 Save Data 以选择保存路径,用于存储左右相机视图的 DLT 系数。输入输出文件名称后点击 OK,DLT 系数将被保存为 *.csv 文件。缩写:3D = 三维,DLT = 直接线性变换。请点击此处查看本图的放大版本。
4. 数据采集

图5:周围神经拉伸数据采集的代表性示意图。(A)将立体成像相机系统固定在支架上,然后通过USB Type-C线缆连接至笔记本电脑。将立体成像相机系统置于周围神经上方不超过6 cm的位置。(B)在远端将周围神经夹紧于机械装置上。使用油墨式皮肤标记笔,在神经的附着点和夹持点处做标记,并沿神经长度方向额外标记两到四个点。在测试前、测试中和测试后,向周围神经喷洒生理盐水以保持其湿润。请点击此处查看该图的放大版本。
5. 数据分析——标记物轨迹追踪

图6:建立新项目以开始三维轨迹追踪的示意图。(A)运行 DLTdv7.m22,然后点击 New Project 以创建一个新项目。(B)将视频文件数量设为 2。(C)选择 Video 1 file(即左相机视角),然后选择 Video 2 文件(即右相机视角)。(D)由于视频文件来自经过DLT校准的立体成像相机系统,因此选择 yes,然后选择包含DLT系数的 *.csv 文件。(E)所选视频文件现已准备就绪,可进行追踪。请点击此处查看此图的放大版本。
| 关键/点击 | 描述 |
| 左键单击 | 点击帧中某一点的轨迹追踪 |
| (+) 关键点 | 放大当前视频帧 在 鼠标指针周围 |
| (-)关键 | 缩放当前视频帧 出 鼠标指针周围 |
| (i)关键 | 移动点 上 |
| (j) 关键点 | 移动点 左侧 |
| (k) 关键 | 移动点 右侧 |
| (m) 关键 | 移动点 向下 |
表1:用于追踪点轨迹的键盘和鼠标快捷键。

图7:使用 DLTdv7.m 为视频1和视频2中的组织标记放置初始点的示意图22. (A设置 当前点 至 1. 放置点 1 在 插入标记 在 视频 1. 使用蓝色的极线进行 视频 2,放置点 1 在 插入标记. (B设置 当前点 到 2. 放置点 2 在 标记物 1 在 视频 1. 利用蓝色的对极线进行 视频 2,放置点 2 在 标记物 1. (C设置 当前点 至 3. 放置点 3 在 标记物 2 在 视频 1. 使用蓝色的极线 视频 2,放置点 3 在 标记物 2. (D设置 当前点 至 4. 放置点 4 在 标记物 3 在 视频 1. 使用蓝色的极线 视频 2,放置点 4 在 标记物 3. (E设置 当前点 到 5. 放置点 5 在 标记物 4 在 视频 1. 使用蓝色的极线 视频 2,放置点 5 在 标记物 4. (F设置 当前点 至 6. 放置点 6 在 夹钳标记器 在 视频 1. 使用蓝色的极线 视频 2,放置点 6 在 夹钳标记物. 请点击此处以查看此图的放大版本。

图 8:使用 DLTdv7.m22 追踪视频 1 中标记点轨迹的示意图。(A)将帧编号设为1,当前点设为1,自动追踪模式设为自动前进,自动追踪预测器设为扩展卡尔曼滤波。(B)将当前点设为1。在视频 1文件中,通过逐帧左键单击的方式,开始追踪插入标记(即点1)的位移,直至最后一帧。(C)将帧编号设为1,当前点设为2。在视频 1文件中,通过逐帧左键单击的方式,开始追踪标记 1(即点2)的位移,直至最后一帧。(D)将帧编号设为1,当前点设为3。在视频 1文件中,通过逐帧左键单击的方式,开始追踪标记 2(即点3)的位移,直至最后一帧。(E)将帧编号设为1,当前点设为4。在视频 1文件中,通过逐帧左键单击的方式,开始追踪标记 3(即点4)的位移,直至最后一帧。(F)将帧编号设为1,当前点设为5。在视频 1文件中,通过逐帧左键单击的方式,开始追踪标记 4(即点5)的位移,直至最后一帧。(G)将帧编号设为1,当前点设为6。在视频 1文件中,通过逐帧左键单击的方式,开始追踪夹具标记(即点6)的位移,直至最后一帧。 请点击此处查看此图的放大版本。

图9:使用 DLTdv7.m22 跟踪视频2中标记点轨迹的示意图。(A)将帧编号设为1,当前点设为1,自动跟踪模式设为自动前进,自动跟踪预测器设为扩展卡尔曼滤波。(B)将当前点设为1。利用视频2文件中的蓝色极线,通过逐帧左键单击的方式,开始跟踪插入标记(即点1)的位移,直至最后一帧。(C)将帧编号设为1,当前点设为2。利用视频2文件中的蓝色极线,通过逐帧左键单击的方式,开始跟踪标记1(即点2)的位移,直至最后一帧。(D)将帧编号设为1,当前点设为3。利用视频2文件中的蓝色极线,通过逐帧左键单击的方式,开始跟踪标记2(即点3)的位移,直至最后一帧。(E)将帧编号设为1,当前点设为4。利用视频2文件中的蓝色极线,通过逐帧左键单击的方式,开始跟踪标记3(即点4)的位移,直至最后一帧。(F)将帧编号设为1,当前点设为5。利用视频2文件中的蓝色极线,通过逐帧左键单击的方式,开始跟踪标记4(即点5)的位移,直至最后一帧。(G)将帧编号设为1,当前点设为6。利用视频2文件中的蓝色极线,通过逐帧左键单击的方式,开始跟踪夹具标记(即点6)的位移,直至最后一帧。 请点击此处查看此图的放大版本。
6. 数据分析—应变分析
(1)
(2)
(3)访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
采用所述方法可获得多种输出文件。DLTdv7.m *_xyzpts.csv(补充文件 12)包含每个时间帧中各追踪点的 (x, y, z) 坐标(单位为毫米),用于进一步计算被拉伸周围神经的长度、长度变化及应变。图 10 展示了被拉伸周围神经的代表性长度-时间、长度变化-时间及应变-时间曲线。该被拉伸的周围神经具有一个起始标记、沿其长度分布的四个标记以及一个由六个节段组成的夹具标记。通过量化被拉伸周围神经的整体应变和节段应变,可更深入理解这些结构的非均质性以及各节段对整体拉伸的贡献。长度-时间曲线(图 10A)和长度变化-时间曲线(图 10B)用于计算应变-时间曲线(图 10C)。除图表外,还导出包含图表数据(即时间、长度、长度变化和应变)的电子表格(补充文件 17)。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
由于牵拉损伤导致的周围神经(PNs)生物力学特性研究结果存在差异,这种差异可归因于测试方法的不同,例如测试设备和伸长分析方法5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,24。本方案提供了详细的描述,利用经过直接线性变换(D...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者声明无利益冲突。
本研究获得了美国国立卫生研究院尤妮斯·肯尼迪·施莱佛国家儿童健康与人类发展研究所的资助,资助编号为 R15HD093024 和 R01HD104910A,以及美国国家科学基金会职业奖编号 1752513。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 透明亚克力有机玻璃方板 | W W Grainger Inc | BULKPSACR9 | 构建三维控制体积 |
| 立体成像相机系统 - ZED Mini 立体相机 | StereoLabs Inc. | N/A | N/A |
| 成像软件 - ZED SDK | StereoLabs Inc. | N/A | N/A |
| 维护软件 - CUDA 12 | StereoLabs Inc. | N/A | 下载以运行 ZED SDK |
| 相机支架 - 带杆铸铁三角支撑架 | Telrose VWR Choice | 76293-346 | N/A |
| MicroScribe G2 数字化仪(含浸入式脚踏板) | SUMMIT Technology Group | N/A | N/A |
| 编程软件 - MATLAB | Mathworks | N/A | 版本 2019A 或更新版本 |
| DLTcal5.m | Hedrick 实验室 | N/A | 开源 |
| DLTdv7.m | Hedrick 实验室 | N/A | 开源 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。