Vierdimensionale CT-Analyse mit sequenzieller 3D-3D-Registrierung

Summary

Wir analysierten die Gelenkkinematik aus vierdimensionalen Computertomographiedaten. Die sequenzielle 3D-3D-Registrierungsmethode liefert halbautomatisch die Kinematik des sich bewegenden Knochens in Bezug auf den Subjektknochen aus vierdimensionalen Computertomographiedaten.

Abstract

Die vierdimensionale Computertomographie (4DCT) liefert eine Reihe von Volumendaten und visualisiert Gelenkbewegungen. Die numerische Analyse von 4DCT-Daten bleibt jedoch schwierig, da die Segmentierung in allen volumetrischen Frames zeitaufwändig ist. Wir wollten die Gelenkkinematik mit einer sequenziellen 3D-3D-Registrierungstechnik analysieren, um die Kinematik des beweglichen Knochens in Bezug auf den festen Knochen halbautomatisch mit 4DCT DICOM-Daten und vorhandener Software bereitzustellen. Die Oberflächendaten der Quellknochen werden aus 3DCT rekonstruiert. Die getrimmten Oberflächendaten werden jeweils mit Oberflächendaten aus dem ersten Frame in 4DCT abgeglichen. Diese getrimmten Flächen werden sequenziell bis zum letzten Frame abgeglichen. Diese Prozesse liefern Positionsinformationen für Zielknochen in allen Frames des 4DCT. Sobald die Koordinatensysteme der Zielknochen festgelegt sind, können Übersetzungs- und Drehwinkel zwischen zwei beliebigen Knochen berechnet werden. Diese 4DCT-Analyse bietet Vorteile bei kinematischen Analysen komplexer Strukturen wie Karpal- oder Tarsalknochen. Schnelle oder großangelegte Bewegungen können jedoch aufgrund von Bewegungsartefakten nicht nachverfolgt werden.

Introduction

Die Gelenkkinematik wurde mit einer Reihe von Methoden beschrieben, wie z. B. Bewegungserfassungssensoren, 2D-3D-Registrierung und kadaverische Studien. Jede Methode hat spezifische Vor- und Nachteile. Beispielsweise können Bewegungserfassungssensoren schnelle, großflächige Bewegungen mit Infrarotkameras mit oder ohne Sensoren zum Thema^1,2messen. Diese Methoden messen jedoch die Hautbewegung, um Gelenkkinematik abzuleiten, und enthalten daher Hautbewegungsfehler³.

Kadaverische Studien wurden verwendet, um Bewegungsbereiche, Instabilität und Kontaktbereiche

Protocol

Alle hier beschriebenen Methoden wurden vom Institutional Review Board der Keio University School of Medicine genehmigt.

HINWEIS: Gelenkkinematik wird gemessen, indem die Bewegung eines sich bewegenden Knochens um einen festen Knochen rekonstruiert wird. Bei der Kniegelenkkinematik ist der Oberschenkelknochen definiert als der feste Knochen und die Tibia als der bewegliche Knochen.

1. CT-Bildgebungsprotokoll

1. Richten Sie die CT-Maschine ein. Erwerben Sie CT-Untersuchungen mit einem 320-Detektor-Reihen-CT-System, um mehrere Phasen von 3D-Volumendaten mit 160 mm Craniokaaudalabdeckung zu ermöglichen. Bei d....

Results

Wir beschreiben die Bewegung der Tibia während der Knieverlängerung. Das Kniegelenk wurde im CT-Portal positioniert. Ein Dreieckskissen wurde verwendet, um den Oberschenkelknochen an der Startposition zu stützen. Das Knie wurde im Laufe von 10 s auf eine gerade Position verlängert. Zusätzlich zu 4DCT wurde statisches 3DCT des gesamten Oberschenkelknochens, der Tibia und der Patella durchgeführt. Die Oberflächendaten des gesamten Oberschenkelknochens und der Tibia wurden rekonstruiert. Der.......

Discussion

Unsere Methode ermöglicht die Visualisierung und Quantifizierung der Bewegungen ganzer Knochen und liefert numerische Positionsdaten des sich bewegenden Knochens in Bezug auf den festen Knochen aus 4DCT-Daten. Es wurden viele Werkzeuge zur Messung der Gelenkkinematik vorgeschlagen. Bewegungshautmarker können gesamtkörperbewegte Bewegungen über einen langen Zeit analysieren. Diese Methode enthält jedoch Hautbewegungsfehler³. Die Gelenkkinematik sollte aus der Bewegung benachbarter Knochen geschätzt.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
4DCT-Scanner	Canon Medical Systems (Tochigi, Japan)	N/A	4DCT-Scan, Statischer 3DCT-Scan
AVIZO(9.3.0)*	Thermo Fisher Scientific (OR, USA)		Bildverarbeitungssoftware. Oberflächenrekonstruktion aus CT-DICOM-Daten und Punktwolkendaten. * Ryan, T. M. & Walker, A. Trabekuläre Knochenstruktur in den Humerus- und Femurköpfen anthropoider Primaten. Anat Rec (Hoboken). 293 (4), 719-729, doi:10.1002/ar.21139, (2010).
Meshlab**	ISTI (Pisa, Italien)	N/A	Oberflächentrimmen und Landmark Picking ** MeshLab: ein Open-Source-Tool zur Verarbeitung von Netzen. Sechste Eurographics Italian Chapter Conference, Seite 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	Iterativer Algorithmus für engste Punkte. Wird in der Python-Sprachprogrammierung verwendet. *** https://vtk.org
Python(3.6.1)	Python Software Foundation	N/A	DICOM-Dateiverarbeitung, um die Punktwolke aus der Knochenrinde zu extrahieren ('dicom.py'-Modul). Berechnung der Rotationsmatrizen. (Numpy-Modul) Sequentielle Bildregestration mit dem ICP-Algorithmus