4-מימדי ניתוח CT באמצעות 3D סדרתית-3D הרישום
23 בנובמבר 2019
ניתחנו מידע משותף. מנתוני טומוגרפיה ממדית שיטת הרישום הרציפה תלת-ממדית למחצה מספקת את הקינמטיקה של העצם הנעה ביחס לעצם הנושא מנתוני טומוגרפיה ממוחשבת בארבעה מימדים.
שיטה לשחזור התנועה של עצם נעה ביחס לעצם הקבועה מנתוני CT 4D, המקלה על התיאור של קינמטיקה משותפת מפורטת. לאחר שנוצר הרך של העצם כולה, ונקודות הייחוס שלך נבחרו, רוב תהליכי השחזור יושלמו באופן אוטומטי. עם מפרק היעד של הנושא בתוך GANTRY CT של תמונת CT 4D, לבקש מהנושא להזיז את המפרק במהלך זמן הסריקה 10 שניות, תוך קבלת סדרה של נתוני נפח.
לפילוח חצי אוטומטי של נתוני ה- CT תלת-מימדי, טען את נתוני ה- CT DICOM לתוכנה המתאימה ולחץ על ערוך שדה תווית חדש כדי לפתוח את שדה התווית. זהה איזה ערך סף של בדיקת CT מתאים כדי לחלץ עצם קליפת המוח מעצם המקור, ובחר חומרים עם ערכי ההטלה CT מעל הסף. בדוק את התווית לבחירת קליפת העצם ולהשתמש בכלי עריכה מתאים כדי לשנות באופן ידני את הסימון.
כדי ליצור את נתוני פני השטח מנתוני מיקום קליפת העצם המסומן, לחץ על צור משטח ולהשתמש במחוון כדי להחליק את המידה. לאחר מכן לחץ על החל. כדי לשמור את נתוני פני השטח בתבנית STL, לחץ על קובץ וייצא נתונים בשם ובחר STL בינארי ליטל אנדיאן.
כדי לבצע פילוח אוטומטי של נתוני נפח CT 4D, השתמש במודול קריאת DICOM בתוכנת התכנות כדי לחלץ את הנתונים הגיאומטריים המציגים את ערכי ההטשה של CT מעל הסף מכל 51 המסגרות של נתוני CT 4D. לאחר מכן השתמש בקובץ Script לעיבוד אצווה כדי לשחזר את כל נתוני פני השטח של ענן הנקודות עם ערכי ההטמנה הגבוהים יותר של CT מאשר הסף עבור כל מסגרות ה- CT באיכות 4D בתוכנת עיבוד התמונה. כדי לבצע רישום משטח מ- CT תלת-מימדי סטטי למסגרת הראשונה של ה- CT 4D, השתמש בפונקציית שלב הבחירה כדי לחתוך את העצמות ב- CT תלת-מימדי סטטי לנתונים חלקיים של מקטע הכלולים בכל המסגרות של נתוני סרט ה- CT 4D.
נתוני פני השטח של CT 4D הם מקטעים חלקיים בלבד שייכללו בכל תמונת אמצעי אחסון, מכיוון שרישום פני השטח דורש שנקודת נתוני משטח אחת תיכלל במשטח אחר. השתמש בפונקציה נקודות בחירה כדי לבחור שלושה ציוני דרך בעצמות הקבועות והמזיזות שניתן לזהות בקלות מפני השטח ה-CT תלת-מימדיים החתוך ומנתוני פני השטח של המסגרת הראשונה של CT 4D בתוכנת עריכת רשת שינוי תלת-מימדית. לאחר מכן התאם את העצמות החלקיות הקבועות והמזיזות בערך במסגרת הראשונה של נתוני פני השטח של CT 4D בהתאם לציוני הדרך שנבחרו, ולהשתמש באלגוריתם הנקודה הקרובה ביותר כדי לבצע רישום פני שטח בתוכנת קוד פתוח.
כדי לבצע רישום משטח רציף, השתמש במודול הנקודה הקרובה ביותר בתוכנת קוד פתוח כדי להתאים תחילה את המשטחים החלקיים של העצם הקבועה במסגרת CT 4D הראשונה על פני השטח של המסגרת השנייה. לאחר מכן, לשחזר תנועת עצם נעה ביחס לעצם הקבועה. כאשר נמדדו פרמטרי הסיבוב, הגדר את מערכות הקואורדינטות של העצמות הקבועות והזזות.
הנתונים לדוגמה של קינמטיקה בברך מראים כי זווית ורוס של השוקה יורדת בהדרגה ככל שהטיביה מורחבת. הסיבוב החיצוני של הטיביאל עולה בסוף ההארכה, בהתאם לתנועת הבית של הברך בדוחות קודמים. גרפים של השגיאה עבור תרגום וסיבוב מראים כי השגיאה נסבלת עבור אורכי עצם הירך ארוכים מ- 9% מהאורך כולו, ואורך השוקה ארוך יותר מ- 7% מהאורך כולו, מכיוון עובי פרוסת ה- CT הוא 0.5 מילימטרים וחרג מגודל השגיאה.
בנוסף, החישוב של patellar kinematics מדגים כי ההטיה לצד השני של פתלה תואמת את זווית כיפוף הברך. שחזור פני השטח של קליפת העצם צריך להיבדק חזותית ועשוי לדרוש פילוח ידני. לאחרונה, מחקרים רבים של פילוחים אוטומטיים השתמשו באמצעות טכניקות אלה, שחזור יכול להתבצע באופן אוטומטי.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג שיטה לשחזור תנועתו של עצם נעה ביחס לעצם קבועה באמצעות נתוני טומוגרפיה ממוחשבת ארבע-ממדית (4D CT). הגישה מאפשרת ניתוח מפורט של קינמטיקת המפרק באמצעות תהליך חצי-אוטומטי.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- ביולוגיה
- דימות רפואי
רקע
- קינמטיקה של מפרקים היא חיונית להבנת תנועת העצמות.
- CT תלת-ממדי דינמי (4D CT) מספק יכולות דימוי דינמיות.
- שיטות מסורתיות לניתוח תנועת מפרקים עלולות להיות גוזלות זמן.
- גישה חצי-אוטומטית יכולה לשפר את היעילות והדיוק.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה לשחזור תנועת עצם מנתוני CT בת-ארבעה ממדים (4D CT).
- שיפור הניתוח של קינמטיקת מפרקים.
- אוטומציה של חלקי תהליך השחזור להגברת היעילות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- דימות CT בתלת-ממד וזמן (4D) של המפרק המטרה במהלך סריקה של 10 שניות.
- סגמנטציה חצי-אוטומטית של פני השטח מנתוני CT תלת-ממדיים.
- בחירת ספי thresholds מתאימים של CT לצורך הפקת העצם הקורטיקלית.
- עריכה ידנית לדיוק של תיחום הגבולות.
תוצאות עיקריות
- השיטה משחזרת בהצלחה את תנועת העצם ביחס לעצם קבועה.
- תהליכים אוטומטיים מפחיתים משמעותית את עומס העבודה הידני.
- ניתן לתאר ביעילות קינמטיקה מפורטת של המפרקים.
- הגישה משפרת את ההבנה של הדינמיקה של העצם.
מסקנות
- שיטה זו מספקת מסגרת אמינה לניתוח קינמטיקה של מפרקים.
- ניתן להשתמש ביעילות בנתוני 4D CT לצורך שחזור תנועה.
- יישומים עתידיים עשויים להתרחב לתחומים שונים בביומכניקה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטה זו מאפשרת ניתוח כמותי של קינמטיקת המפרקים מנתוני CT 4D, ובכך תומכת בהבנה מכניסטית של התפקוד השרירי-שלדי. באמצעות שחזור חצי-אוטומטי של תנועת העצם, היא מפחיתה את עומס העבודה הידני במחקרי הדמיה פרה-קליניים. גישה זו בעלת ערך ניבוי להערכת התאמת שתלים, אינטראקציה של מכשירים או ביצועים ביומכניים במחקרים תרגומיים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות הקשורות למכניקת המפרקים ולהפרעות בתנועה.
- ערך תפעולי: תומך בתיקוף של מטרות תפקודיות על ידי הבהרת דפוסי תנועת העצם במודלים של מחלות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מכין מערכות ביולוגיות מתוקפות לתהליכי עבודה המשכיים על ידי אספקת פלטים קינמטיים כמותיים.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה והשחזוריות של הבדיקה באמצעות רישום משטחים חצי-אוטומטי ומעקב אחר שגיאות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקשר בין תגלית לתיקוף פרה-קליני על ידי מתן אפשרות לניתוח של דינמיקת מפרקים במערכות הרלוונטיות למחלה.
- ערך תפעולי: תומך בהחלטות קידום מותאמות סיכון באמצעות פרמטרים מדידים של תרגום וסיבוב עם ספי סיגריות מוגדרים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת נתונים
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת השערות ועד לזיהוי מובילים (lead identification), ובמיוחד בתוכניות המתמקדות בביומכניקה.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת היפותזות ובבירור מסלולים באמצעות כימות תנועת העצם ביחס למסמני ייחוס אנטומיים קבועים.
- סריקה: מספקת מוכנות לבדיקה באמצעות יצירת נתוני שטח סטנדרטיים ורישום תלת-ממדי-תלת-ממדי (3D-3D registration) רצפי לאורך נקודות זמן.
- אנליטיקה: מספקת מדידות כמותיות של משתנים תלויים (תרגום, זוויות סיבוב) המאפשרות השוואה בין תנאים והערכת שגיאות.
- מחקר תרגומי: מקשרת לרצף פרה-קלני על ידי הצעת ביומרקרים ביומכניים התואמים לתפקוד המפרק ולתנועה.
- שימוש חוזר ארגוני: משמשת כיכולת דימות הניתנת לשימוש חוזר להערכת מכניקת המפרק במספר מודלים של מחלות או במחקרי מכשירים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון ניבוי במכניקת המפרקים, הפחתת עמימות מכניסטית בפנוטיפים מבוססי תנועה.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה, הדירות ויכולת הרחבה באמצעות תהליכי עבודה חצי-אוטומטיים ועיבוד באצוות של פריימים מ-4D CT.
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטות טובה יותר לגבי המשך או הפסקת הפיתוח (go/no-go), יעילות הונית והפחתת סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים בתוכניות הקשורות למערכת השלד והשרירים או למכשור רפואי.
- השפעה על תיק הפיתוח: תעדוף והחלטות קידום מותאמות לסיכון המבוססות על פרופיל קינמטי כמותי.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בדימות רפואי, עיבוד משטחים בתלת-ממד וניתוח קינמטי.
- תלוי בסורקי 4D CT, בתוכנה תואמת DICOM ובכלי רישום בקוד פתוח (למשל, אלגוריתמי iterative closest-point).
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין יחידות הדימות, הביולוגיה והביואינפורמטיקה לצורך תיוג משטחים ובחירת נקודות ייחוס עקביות.
- כולל שיקולי התאמה בין מערכות מודל עקב הבדלים בגודל העצם, במורכבות המפרק ובטווח התנועה.
- מוגבל על ידי ארטיפקטים של תנועה בתנועות מהירות או רחבות היקף, כפי שצוין בחומרי המקור.
