Articolo metodologico

Trasformazione lineare diretta per la misurazione della deformazione dei nervi periferici in situ durante lo stretching

DOI:

10.3791/65924

⸱

12 gennaio 2024

 ,  , 
1School of Biomedical Engineering, Science and Health Systems, Drexel University, 2Bioengineering Department, Temple University

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo protocollo implementa un sistema di telecamere stereoscopiche calibrate utilizzando la trasformazione lineare diretta per catturare gli spostamenti tridimensionali in situ dei nervi periferici allungati. Catturando questi spostamenti, è possibile determinare la deformazione indotta a vari gradi di allungamento, informando le soglie di lesione da stiramento che possono far progredire la scienza della riparazione nervosa dipendente dallo stiramento.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

I nervi periferici subiscono uno stiramento fisiologico e non fisiologico durante lo sviluppo, il normale movimento articolare, lesioni e, più recentemente, durante la riparazione chirurgica. Comprendere la risposta biomeccanica dei nervi periferici all'allungamento è fondamentale per comprendere la loro risposta alle diverse condizioni di carico e, quindi, per ottimizzare le strategie di trattamento e gli interventi chirurgici. Questo protocollo descrive in dettaglio il processo di calibrazione del sistema di telecamere stereo-imaging tramite trasformazione lineare diretta e il tracciamento dello spostamento tissutale tridimensionale in situ dei nervi periferici durante l'allungamento, ottenuto dalle coordinate tridimensionali dei file video catturati dal sistema di telecamere stereo-imaging calibrato.

Dalle coordinate tridimensionali ottenute, la lunghezza del nervo, la variazione della lunghezza del nervo e la percentuale di deformazione rispetto al tempo possono essere calcolate per un nervo periferico allungato. L'utilizzo di un sistema di telecamere stereoscopiche fornisce un metodo non invasivo per catturare gli spostamenti tridimensionali dei nervi periferici quando vengono allungati. La trasformazione lineare diretta consente ricostruzioni tridimensionali della lunghezza del nervo periferico durante l'allungamento per misurare la deformazione. Attualmente, non esiste alcuna metodologia per studiare la deformazione in situ dei nervi periferici allungati utilizzando un sistema di telecamere stereo-imaging calibrato tramite trasformazione lineare diretta. Catturare la deformazione in situ dei nervi periferici quando allungati può non solo aiutare i medici a comprendere i meccanismi di lesione alla base del danno nervoso quando sono eccessivamente allungati, ma anche aiutare a ottimizzare le strategie di trattamento che si basano su interventi indotti dallo stiramento. La metodologia descritta nel documento ha il potenziale per migliorare la nostra comprensione della biomeccanica dei nervi periferici in risposta allo stretching per migliorare i risultati dei pazienti nel campo della gestione e della riabilitazione delle lesioni nervose.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

I nervi periferici (PN) subiscono un allungamento durante lo sviluppo, la crescita, il normale movimento articolare, le lesioni e la chirurgia1. I PN mostrano proprietà viscoelastiche per proteggere il nervo durante i movimenti regolari 2,3 e mantenere la salute strutturale delle sue fibre nervose2. Poiché è stato dimostrato che la risposta PN all'allungamento meccanico dipende dal tipo di danno alle fibre nervose4, dalle lesioni ai tessuti connettivi adiacenti 2,4 e dagli approcci di test (ad esempio, velocità di carico o direzione)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, è essenziale distinguere le risposte biomeccaniche dei PN durante il normale range di movimento rispetto al range non fisiologico sia a velocità di allungamento lento che rapido. Ciò può favorire la comprensione del meccanismo di lesione PN in risposta allo stiramento e aiutare in un intervento tempestivo e ottimizzato 1,4,15,16. C'è stata una tendenza crescente nella terapia fisica a valutare e intervenire in base alla relazione tra fisiologia nervosa e biomeccanica17. Comprendendo le differenze nella biomeccanica della PN a vari carichi applicati, i fisioterapisti possono essere meglio preparati a modificare gli interventi attuali17.

I dati biomeccanici disponibili sui PN in risposta all'allungamento rimangono variabili e possono essere attribuiti alle apparecchiature e alle procedure di prova e alle differenze nell'analisi dei dati di allungamento 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16. Inoltre, la misurazione dello spostamento nervoso in situ tridimensionale (3D) rimane scarsamente descritta nella letteratura attualmente disponibile. Studi precedenti hanno utilizzato tecniche di stereo-imaging per massimizzare l'accuratezza della ricostruzione 3D dello spostamento tissutale delle capsule delle faccette articolari18,19. La tecnica della trasformazione lineare diretta (DLT) consente la conversione di due o più viste bidimensionali (2D) in coordinate 3D del mondo reale (ad esempio, in mm)20,21,22. La DLT fornisce un metodo di calibrazione ad alta precisione per i sistemi di telecamere stereo-imaging perché consente una ricostruzione precisa delle posizioni 3D, tenendo conto della distorsione dell'obiettivo, dei parametri della telecamera e delle coordinate dell'immagine e consente flessibilità nella configurazione della telecamera stereo-imaging 20,21,22. Gli studi che utilizzano sistemi di telecamere stereoscopiche calibrate DLT sono tipicamente utilizzati per studiare l'analisi della locomozione e dell'andatura22,23. Questo protocollo mira a offrire una metodologia dettagliata per determinare la deformazione in situ di PN a vari gradi di allungamento utilizzando un sistema di telecamere stereo-imaging calibrato DLT e un software di tracciamento open-source22.

Protocollo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutte le procedure descritte sono state approvate dal Comitato Istituzionale per la Cura e l'Uso degli Animali (IACUC) della Drexel University. Il suinetto neonatale è stato acquistato da un'azienda agricola approvata dal Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti (USDA) situata in Pennsylvania, USA.

1. Configurazione del sistema di imaging stereo

  1. Collega un sistema di telecamere stereoscopiche che acquisisce fino a 100 fotogrammi/s (FPS) a un supporto di servizio. Il sistema di telecamere stereoscopiche utilizzato in questo studio è una telecamera stereo passiva con due telecamere allineate orizzontalmente (denominate telecamere sinistra e destra) separate da una linea di base di 63 mm (Figura 1).

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Figura 1: Sistema di telecamere per immagini stereoscopiche. (A) Sistema di telecamere per immagini stereo parallele con due telecamere (sinistra e destra) separate da una linea di base di 63 mm. (B) Schema del sistema di telecamere per immagini stereo e configurazione del supporto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Sistema di imaging stereo: calibrazione DLT: digitalizzazione del volume di controllo 3D

  1. Procurati tre fogli quadrati di plexiglass acrilico trasparente (12 pollici x 12 pollici x 0,125 pollici). Su ogni foglio, posizionare una griglia e disegnare almeno 10 punti, ottenendo un minimo di 30 punti distribuiti sul volume di controllo 3D nei piani delle coordinate x, y e z. Costruisci il volume di controllo 3D impilando i tre fogli a diverse altezze per catturare l'altezza massima di ciò che verrà registrato (Figura 2A).
  2. Digitalizza tutti i punti del volume di controllo 3D utilizzando un digitalizzatore con un pedale. Acquisisci le coordinate x, y e z (in mm) (Figura 2B) stabilendo l'origine (0, 0, 0) sul cubo di controllo 3D, definendo le direzioni x e y positive, aprendo un documento per salvare le coordinate digitalizzate (x, y, z) (in mm) di ciascun punto e salvando le coordinate (x, y, z) (in mm) come file *.csv.
    NOTA: Le coordinate (x, y, z) sono relative all'origine impostata sul cubo di controllo 3D.
  3. Utilizzare queste coordinate digitalizzate (x, y, z) (in mm) per calibrare rispettivamente le fotocamere sinistra e destra del sistema di telecamere stereo.

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Figura 2: Controllo tridimensionale del volume e digitalizzatore con pedale. (A) Schema del volume di controllo 3D. (B) Componenti del digitalizzatore con pedale utilizzati per digitalizzare il volume di controllo 3D per ottenere coordinate (x, y, z) in mm. Abbreviazione: 3D = tridimensionale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Calibrazione-generazione di coefficienti di trasformazione lineare diretta di sistemi di telecamere stereoscopiche

  1. Fissare il sistema di telecamere stereoscopiche a un supporto di servizio (Figura 3A).
  2. Posizionare il sistema di telecamere stereoscopiche 6 cm sopra il volume di controllo 3D (Figura 3A).
  3. Collegare il sistema di telecamere stereoscopiche a un laptop tramite un cavo USB di tipo C.
  4. Aprire il software di imaging (vedere la Tabella dei materiali).
  5. Immagine del volume di controllo 3D. L'immagine di output (Figura S1 supplementare) include sia la vista della telecamera sinistra che quella destra (Figura 3B).
  6. Esegui il codice MATLAB personalizzato (File supplementare 1) per separare l'immagine di output in due immagini, rispettivamente a sinistra e a destra (Figura 3C, Figure supplementari S2 e Figure supplementari S3, rispettivamente).
  7. Fare clic su Esegui per inizializzare la GUI 22 (file supplementare 2) di DLTcal5.m.
    1. Fare clic su inizializza nella finestra dei controlli DLTcal5 per selezionare il file *.csv con le coordinate digitalizzate (x, y, z) (in mm) (Figura 4A e File supplementare 3).
    2. Selezionare l'immagine corrispondente del volume di controllo 3D dalla prima vista del sistema di telecamere stereoscopiche (Figura supplementare S2). Per questo sistema di telecamere stereoscopiche, la vista sinistra della telecamera corrisponde alla prima vista della telecamera (Figura 4B).
    3. Viene visualizzata la prima immagine della vista della telecamera (ad esempio, la vista della telecamera sinistra).
    4. Selezionare i punti nell'ordine in cui sono stati digitalizzati nella Sezione 2 per ottenere le coordinate dei pixel 2D dalla vista della telecamera sinistra (Figura 4B).
    5. Impostare il punto corrente nella finestra Controlli DLTcal5 e fare clic sul punto corrente corrispondente sulla prima vista della telecamera caricata (ad esempio, la vista della telecamera sinistra).
    6. Dopo aver selezionato tutti i punti nella prima vista della telecamera caricata, fare clic su Calcola coefficienti per generare gli 11 coefficienti DLT per la vista della telecamera sinistra (Figura 4B).
    7. Fare clic su Aggiungi una telecamera nella finestra dei controlli DLTcal5 e ripetere i passaggi 3.7.2-3.7.6 per generare gli 11 coefficienti DLT per la vista della telecamera destra (ad esempio, la seconda vista della telecamera) (Figura 4B, C e Figura S3 supplementare).
    8. Fare clic su Salva dati nella finestra dei controlli DLTcal5 per selezionare la cartella in cui verranno salvati i file di output (Figura 4D).
    9. I file di output includono le coordinate dei pixel 2D (x, y) (file supplementare 4) e i corrispondenti coefficienti DLT 11 per le viste sinistra e destra della telecamera del sistema di telecamere stereoscopiche (Figura 4D e file supplementare 5).
    10. Il sistema di telecamere stereoscopiche è calibrato.

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Figura 3: Schema per l'acquisizione di un'immagine del volume di controllo tridimensionale utilizzando un sistema di telecamere stereoscopiche per la calibrazione diretta della trasformazione lineare. (A) Collegare il sistema di telecamere stereoscopiche a un supporto e quindi collegarlo a un laptop tramite un cavo USB di tipo C. Posizionare il volume di controllo 3D 6 cm sotto il sistema di telecamere stereo. (B) Utilizzando il software di imaging, scattare un'immagine del volume di controllo 3D. L'immagine di output è un'immagine combinata delle fotocamere sinistra e destra. (C) Utilizzando un codice MATLAB personalizzato, l'immagine di output combinata viene separata in singole immagini sinistra e destra del volume di controllo 3D. Abbreviazione: 3D = tridimensionale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 4: Schema per la generazione di coefficienti di trasformazione lineare diretta per le viste della telecamera sinistra e destra di un sistema di imaging con telecamera stereoscopica. (A) Eseguire DLTcal5.m22, fare clic su inizializza nella finestra dei controlli e selezionare il file *.csv con le coordinate digitalizzate (x, y, z) (in mm) del volume di controllo 3D. (B) Selezionare l'immagine di calibrazione della vista della telecamera sinistra. Quindi, seleziona i punti sull'immagine nello stesso ordine in cui sono stati digitalizzati. Quindi, fare clic su Calcola coefficienti per generare i coefficienti DLT per la vista della telecamera sinistra. Quindi, fai clic su Aggiungi telecamera per ripetere i passaggi per la vista corretta della telecamera. (C) Selezionare l'immagine di calibrazione della vista della telecamera corretta. Quindi, seleziona i punti sull'immagine nello stesso ordine in cui sono stati digitalizzati. Quindi, fare clic su Calcola coefficienti per generare i coefficienti DLT per la vista corretta della telecamera. (D) Fare clic su Salva dati per selezionare la directory in cui salvare i coefficienti DLT per le viste della telecamera sinistra e destra. Immettere il nome del file di output e fare clic su OK per salvare i coefficienti DLT come file *.csv. Abbreviazione: 3D = tridimensionale e DLT = trasformazione lineare diretta. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. Acquisizione dati

  1. Posizionare il maialino neonatale anestetizzato dello Yorkshire (3-5 giorni) in posizione supina con gli arti superiori in abduzione per esporre la regione ascellare. Praticare un'incisione sulla linea mediana attraverso la pelle e la fascia sovrastante la trachea fino al terzo superiore dello sterno.
  2. Utilizzare la dissezione smussata per esporre i nervi del plesso brachiale.
  3. Spruzzare una soluzione salina sul nervo del plesso brachiale esposto per mantenerli idratati prima, durante e dopo il test.
  4. Tagliare l'estremità distale di un plesso brachiale PN e fissarla all'apparecchio di prova meccanico.
  5. Collegare il sistema di telecamere stereoscopiche al supporto di servizio, posizionarlo fino a 6 cm sopra il PN da allungare, quindi collegare il sistema di telecamere stereoscopiche a un laptop tramite un cavo USB di tipo C (Figura 5A).
  6. Utilizzare un pennarello cutaneo a base di inchiostro per posizionare i marcatori sui siti di inserimento e di serraggio e altri da due a quattro marcatori lungo la lunghezza del PN a seconda della lunghezza del nervo, per il tracciamento dello spostamento (Figura 5B).
  7. Posizionare una griglia di calibrazione (cioè una griglia laminata con quadrati di 0,5 cm x 0,5 cm) e un righello di 1 cm, piatto sotto il PN per l'analisi dei dati (Figura 5B).
  8. Registrare la lunghezza iniziale del PN dopo il serraggio e appena prima dello stiramento.
  9. Allungare il PN a una velocità di spostamento di 500 mm/min fino alla rottura o a un allungamento predeterminato.

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Figura 5: Schema rappresentativo per l'acquisizione dei dati dell'allungamento dei nervi periferici. (A) Collegare il sistema di telecamere stereoscopiche a un supporto e quindi collegarlo a un laptop tramite un cavo USB di tipo C. Posizionare il sistema di telecamere stereoscopiche fino a 6 cm sopra il nervo periferico. (B) Il nervo periferico è fissato alla configurazione meccanica all'estremità distale. Utilizzando un pennarello cutaneo a base di inchiostro, posizionare un pennarello sui siti di inserimento e di serraggio e altri due o quattro marcatori lungo la lunghezza del nervo. La soluzione salina viene spruzzata sul nervo periferico per mantenerlo idratato prima, durante e dopo il test. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

5. Analisi dei dati-tracciamento della traiettoria dei marcatori

  1. Esegui il codice MATLAB personalizzato (File supplementare 6) per separare il file video di output (File supplementare 7) in due file video, file video della telecamera sinistra e destra (rispettivamente File supplementare 8 e File supplementare 9).
  2. Clic Correre per inizializzare il DLTdv7.m22 GUI (File supplementare 10).
    1. Viene visualizzata la finestra dei controlli DLTdv7 e i pulsanti Nuovo progetto, Carica progetto e Esci sono abilitati (Figura 6A).
    2. Fare clic su Nuovo progetto nella finestra dei controlli DLTdv7 per iniziare un nuovo progetto.
    3. Quando viene visualizzata una finestra di dialogo, selezionare 2 per indicare due file video (ad esempio, le viste della telecamera sinistra e destra) per tracciare le traiettorie dei marcatori di spostamento su un nervo periferico allungato (Figura 6B).
    4. Selezionare il primo file video (ad esempio, Video 1), che è il file video dalla vista della telecamera sinistra (File supplementare 8), e fare clic su Apri (Figura 6C). Quindi, selezionare il secondo file video (ad esempio, Video 2), che è il file video dalla vista della telecamera destra (File supplementare 9) e fare clic su Apri (Figura 6C).
    5. Dopo aver selezionato i due file video, fare clic su Sì per indicare che i file video sono stati acquisiti dalle viste della telecamera calibrate tramite DLT.
    6. Selezionare i coefficienti DLT *.csv corrispondenti (File supplementare 5) per il sistema di telecamere stereoscopiche e fare clic su Apri (Figura 6D).
    7. I fotogrammi video iniziali vengono visualizzati da entrambi i file video e il resto della finestra dei controlli DLTdv7 viene attivato. Il pulsante del nuovo progetto viene sostituito con il pulsante Ricalcola punti 3D e il pulsante Carica progetto viene sostituito con il pulsante Salva (Figura 6E).
    8. Nella finestra dei controlli DLTdv7 , assicurarsi che il numero di fotogramma sia impostato su 1, che il punto corrente sia impostato su 1, che la modalità di tracciamento automatico sia disattivata e che siano controllati tutti i video, che il feedback visivo DLT e che le tracce 2D siano selezionate (Figura 6E).
    9. Assicurarsi che i punti di inseguimento siano posizionati sui contrassegni di spostamento del PN in modo tale che il marcatore di inserimento corrisponda al punto 1, il marcatore 1 corrisponda al punto 2 e così via con il marcatore di bloccaggio che è il punto finale.
    10. Posiziona il punto 1 sull'indicatore di inserimento su Video 1 (ad esempio, il file video della vista della telecamera sinistra) assicurandoti che il punto posizionato si trovi al centro dell'indicatore di inserimento. Utilizzare le scorciatoie da tastiera (Tabella 1) per spostare il punto posizionato al centro dell'indicatore di inserimento (Figura 7A).
    11. Poiché il feedback visivo DLT è controllato, quando un punto viene posizionato nel Video 1, viene visualizzata una linea epipolare blu nel Video 2 (ad esempio, il file video della vista della telecamera a destra) (Figura 7). Posiziona il punto 1 sull'indicatore di inserimento nel Video 2 utilizzando la linea epipolare blu come riferimento. Utilizzare le scorciatoie da tastiera (Tabella 1), se necessario, per spostare il punto posizionato al centro dell'indicatore di inserimento (Figura 7A).
    12. Fare clic su Aggiungi un punto nella finestra dei controlli DLTdv7 per aggiungere punti sugli altri marcatori di tessuto per tracciarne le traiettorie. Fare riferimento al punto corrente nella finestra dei controlli DLTdv7 per sapere quale punto è attivo.
    13. Fare clic su Aggiungi un punto. Posiziona il punto 2 sul marcatore 1 nel video 1. Utilizza la linea epipolare blu e le scelte rapide da tastiera per posizionare il punto 2 sul marcatore 1 nel video 2. Continua ad aggiungere e posizionare punti, prima sul Video 1 e poi sul Video 2, per tutti i marcatori di spostamento lungo la lunghezza del nervo tra l'inserzione e il morsetto (cioè il punto finale) (Figura 7B-F).
    14. Una volta posizionati tutti i punti iniziali in Video 1 e Video 2 (ad esempio, i file video della telecamera sinistra e destra, rispettivamente), assicurarsi che il numero di fotogramma sia su 1 e che il punto corrente sia impostato su 1 nella finestra dei controlli DLTdv7 .
    15. Nella finestra dei controlli DLTdv7 , cambiare la modalità di tracciamento automatico in avanzamento automatico dal menu a discesa e il predittore di tracciamento automatico in Kalman esteso dal menu a discesa (Figura 8A).
    16. Completa prima il tracciamento di tutti i punti posizionati nel Video 1 e poi completa il tracciamento nel Video 2. Traccia la traiettoria del marcatore facendo clic con il pulsante sinistro del mouse sul centro del marcatore fotogramma per fotogramma fino a quando non si ottiene il cedimento (cioè il fotogramma prima della rottura grossolana del nervo periferico) o l'intero video per l'allungamento predeterminato.
    17. Inizia il tracciamento del punto 1 nel video 1. Ingrandire e rimpicciolire (Tabella 1) come desiderato per garantire che l'inseguimento sia al centro dell'indicatore; fare clic fotogramma per fotogramma fino al fallimento o alla fine del video (Figura 8B). Dopo aver completato l'inseguimento del punto 1 nel Video 1, torna al fotogramma 1 e modifica il punto corrente al punto 2 dal menu a discesa nella finestra dei controlli DLTdv7 . Il punto tracciato in precedenza diventerà azzurro e la sua traiettoria diventerà gialla. Il punto attuale avrà un rombo verde e un centro rosa.
    18. Completa il tracciamento di tutti i punti nel Video 1 facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma per ogni punto fino all'errore o alla fine del video (Figura 8C-G).
    19. Nel Video 2, utilizzare la linea epipolare blu per tracciare i punti in riferimento al Video 1 (Figura 9). Nella finestra dei controlli DLTdv7 , riportare il numero di fotogramma su 1 e impostare il punto corrente su 1, quindi iniziare a tracciare la traiettoria del punto 1 in Video 2.
    20. Segui gli stessi passaggi (5.2.16-5.2.18) per tenere traccia dei punti rimanenti nel Video 2.
    21. Al termine del tracciamento in Video 1 e Video 2, fare clic su Esporta punti nella finestra dei controlli DLTdv7 per esportare le coordinate (x, y, z) (in mm) dei punti tracciati.
    22. Viene visualizzata una finestra di dialogo per selezionare la directory in cui salvare i file di output. Fare clic sulla posizione della directory.
    23. Viene visualizzata un'altra finestra di dialogo per impostare il nome dei file di output. Imposta il nome dei file di output (ad esempio, nerve1_101-Jan-2001videoanalyzed_cal09.30_trial1_).
    24. Viene visualizzata un'altra finestra di dialogo. Selezionare il formato di salvataggio come semplice.
    25. Viene visualizzata un'altra finestra di dialogo. Selezionare no per calcolare l'intervallo di confidenza del 95%.
    26. Viene visualizzata una finestra di dialogo finale che mostra che i dati vengono esportati e salvati e i quattro file di output vengono esportati nella posizione della directory selezionata (File supplementare 11, File supplementare 12, File supplementare 13 e File supplementare 14).
    27. Fare clic su Salva progetto nella finestra dei controlli DLTdv7 per salvare il progetto corrente (file supplementare 15) nella stessa directory dei file di output.

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Figura 6: Schema per impostare un nuovo progetto per iniziare il tracciamento della traiettoria tridimensionale. (A) Eseguire DLTdv7.m22 e fare clic su Nuovo progetto per iniziare un nuovo progetto. (B) Selezionare 2 come numero di file video. (C) Selezionare il file Video 1 (ad esempio, la vista della telecamera a sinistra), quindi selezionare il file Video 2 (ad esempio, la vista della telecamera a destra). (D) Selezionare sì in quanto i file video provengono da un sistema di telecamere stereoscopiche calibrate DLT. Quindi, selezionare il file *.csv contenente i coefficienti DLT. (E) I file video selezionati sono ora pronti per il tracciamento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Chiave/clicDescrizione
Fare clic con il pulsante sinistro del mouseTracce traiettoria di un punto nel fotogramma cliccato
(+) ChiaveIngrandisce il fotogramma video corrente nel puntatore del movimento
(-) ChiaveIngrandisce il fotogramma video corrente rispetto al puntatore mosue
(i) ChiaveSposta il punto verso l'alto
(j) ChiaveSposta il punto a sinistra
(k) ChiaveSposta il punto a destra
(m) ChiaveSposta il punto verso il basso

Tabella 1: Scorciatoie da tastiera e mouse per tracciare la traiettoria del punto.

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Figura 7: Schema per posizionare i punti iniziali sui marcatori di tessuto per il Video 1 e il Video 2 utilizzando DLTdv7.m22. (A) Impostare il punto corrente su 1. Posiziona il punto 1 sull'indicatore di inserimento in Video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posizionare il punto 1 sull'indicatore di inserimento. (B) Impostare il punto di corrente su 2. Posiziona il punto 2 sul marcatore 1 nel video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posiziona il punto 2 sul marcatore 1. (C) Impostare il punto di corrente su 3. Posiziona il punto 3 sul marcatore 2 nel video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posizionare il punto 3 sul marcatore 2. (D) Impostare il punto di corrente su 4. Posiziona il punto 4 sul marcatore 3 nel video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posizionare il punto 4 sul marcatore 3. (E) Impostare il punto di corrente su 5. Posiziona il punto 5 sul marcatore 4 nel video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posizionare il punto 5 sul marcatore 4. (F) Impostare il punto di corrente su 6. Posizionare il punto 6 sul marcatore di bloccaggio nel Video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posizionare il punto 6 sul clamp marcatore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 8: Schema per il tracciamento delle traiettorie dei punti marker del Video 1 utilizzando DLTdv7.m22. (A) Impostare il numero di fotogramma su 1, il punto corrente su 1, la modalità di tracciamento automatico sull'avanzamento automatico e il predittore di tracciamento automatico su Kalman esteso. (B) Impostare il punto di corrente su 1. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento dell'indicatore di inserimento (cioè il punto 1) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (C) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 2. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore 1 (ovvero il punto 2) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (D) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 3. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore 2 (cioè il punto 3) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (E) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 4. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore 3 (cioè il punto 4) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (F) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 5. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore 4 (cioè il punto 5) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (G) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 6. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore di bloccaggio (cioè il punto 6) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 9: Schema per l'inseguimento delle traiettorie dei punti marker del Video 2 utilizzando DLTdv7.m22. (A) Impostare il numero di fotogramma su 1, il punto corrente su 1, la modalità autotrack su auto-advance e autotrack predictor su esteso Kalman. (B) Impostare il punto di corrente su 1. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , inizia a tracciare lo spostamento dell'indicatore di inserimento (cioè il punto 1) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (C) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 2. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , inizia a tracciare lo spostamento del marcatore 1 (cioè il punto 2) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (D) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 3. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , inizia a tracciare lo spostamento del marcatore 2 (cioè il punto 3) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (E) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 4. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore 3 (cioè il punto 4) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (F) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 5. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , inizia a tracciare lo spostamento del marcatore 4 (cioè il punto 5) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (G) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 6. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , inizia a tracciare lo spostamento del marcatore di bloccaggio (cioè il punto 6) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

6. Analisi dei dati-analisi della deformazione

  1. Esegui un codice MATLAB personalizzato (file supplementare 16) per importare le traiettorie dei marcatori 3D tracciati (x, y, z) (in mm).
  2. Nella finestra di comando di MATLAB, digitare:
    percentStrain, deltaLi, lengthNi, nome file] = PercentStrain_3D
  3. Immettere il tempo di rottura, ad esempio, se i file video hanno 59 fotogrammi, il tempo è 0,59 s; inserire il numero di punti tracciati e selezionare il file *_xyzpts.csv, con le traiettorie 3D tracciate (x, y, z) (in mm).
  4. Selezionare la directory per salvare i grafici di output lunghezza vs tempo (Figura supplementare S4), variazione di lunghezza vs tempo (Figura supplementare S5) e deformazione vs tempo (Figura supplementare S6) e *.xls file con tempo, lunghezza, variazione di lunghezza e deformazione (File supplementare 17).
  5. Calcola la lunghezza (l), la variazione di lunghezza (Δl) e la deformazione percentuale utilizzando le equazioni 1-3:
    figure-protocol-10(1)
    dove liè la distanza tra due marcatori in qualsiasi punto temporale; x1i, y1i, z1i sono le coordinate 3D di uno dei due marcatori; e x2i, y2i, z2i sono le coordinate 3D dei secondi indicatori.
    figure-protocol-11(2)
    Dove liè la distanza tra due marcatori in qualsiasi punto temporale e lo è la distanza tra due marcatori qualsiasi nel punto originale/tempo zero.
    figure-protocol-12(3)
    Dove Δliè la variazione di lunghezza tra due marcatori in un qualsiasi punto temporale e loè la distanza tra due marcatori qualsiasi nel punto originale/tempo zero.

Risultati

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Utilizzando la metodologia descritta, si ottengono vari file di output. Il DLTdv7.m *_xyzpts.csv (File supplementare 12) contiene le coordinate (x, y, z) in millimetri di ciascun punto tracciato in ogni intervallo di tempo che viene ulteriormente utilizzato per calcolare la lunghezza, la variazione di lunghezza e la deformazione del PN allungato. I grafici rappresentativi della lunghezza-tempo, della variazione della lunghezza-tempo e del tempo di deformazione di un PN allungato sono mostrati nella Figura 10. Il PN allungato aveva un marcatore di inserimento, quattro marcatori lungo la sua lunghezza e un marcatore a morsetto composto da sei segmenti. Quantificando le deformazioni complessive e segmentali del PN allungato, si ottiene una migliore comprensione della non omogeneità di queste strutture e del contributo segmentale all'allungamento complessivo. I grafici lunghezza-tempo (Figura 10A) e variazione lunghezza-tempo (Figura 10B) vengono utilizzati per calcolare i grafici deformazione-tempo (Figura 10C). Oltre ai grafici, viene esportato un foglio di calcolo (File supplementare 17) con i dati del grafico (ad esempio, tempo, lunghezza, variazione di lunghezza e deformazione).

figure-results-1
Figura 10: Grafici rappresentativi del tempo di deformazione, della variazione di lunghezza-tempo e della lunghezza-tempo di un nervo periferico allungato. (A) Grafici di lunghezza-tempo dell'intero nervo (ad esempio, segmento 1) e per tutti i segmenti tra marcatori adiacenti (ad esempio, segmenti 2-6). (B) Variazione dei grafici lunghezza-tempo dell'intero nervo (ad esempio, segmento 1) e per tutti i segmenti tra marcatori adiacenti (ad esempio, segmenti 2-6). (C) Grafici del tempo di deformazione dell'intero nervo (ad esempio, segmento 1) e per tutti i segmenti tra marcatori adiacenti (ad esempio, segmenti 2-6). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Gli altri tre file di output DLTdv7.m (File supplementare 11, File supplementare 13 e File supplementare 14) e il progetto di output (File supplementare 15) vengono utilizzati per ricaricare il progetto nel caso in cui sia necessario ritracciare le traiettorie dei punti indicatore.

Figura supplementare S1: Immagine di output del volume di controllo tridimensionale (3D). Immagine di output del volume di controllo 3D scattata utilizzando il sistema di telecamere stereo parallele e il sistema software di imaging per la calibrazione della trasformazione lineare diretta. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S2: Immagine a sinistra del volume di controllo tridimensionale (3D). Immagine a sinistra del volume di controllo 3D utilizzato per la calibrazione della trasformazione lineare diretta. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S3: Immagine a destra del volume di controllo tridimensionale (3D). Immagine a destra del volume di controllo 3D utilizzato per la calibrazione della trasformazione lineare diretta. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S4: Grafici di output di lunghezza-tempo. (A-F) Grafici di output in termini di lunghezza di ciascun segmento in ogni intervallo di tempo. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S5: Variazione dei grafici di output lunghezza-tempo. (A-F) Modifica dei grafici di output di lunghezza e tempo di ciascun segmento in ogni intervallo di tempo. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare S6: Grafici di output del tempo di deformazione. (A-F) Grafici di output in termini di lunghezza di ciascun segmento in ogni intervallo di tempo. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 1: Codice MATLAB personalizzato crop_left_right_stereoimage.m. Codice MATLAB personalizzato utilizzato per separare l'immagine di output in due immagini, rispettivamente a sinistra e a destra. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 2: DLTcal5.m22. Codice MATLAB open-source utilizzato per ottenere i coefficienti di trasformazione lineare diretta del sistema di telecamere parallele per immagini stereo. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 3: Punti digitalizzati del volume di controllo tridimensionale (3D). File di foglio di calcolo (3D Control Volume_Digitized Pts.csv) contenente i punti digitalizzati (x, y, z) in millimetri dei punti sul volume di controllo 3D. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 4: file del foglio di calcolo di output DLTcal5.m contenente le coordinate dei pixel (x, y) dei punti del volume di controllo tridimensionali (3D). File di foglio di calcolo di output (cal01_JOVE_test_xypts.csv) contenente le coordinate dei pixel (x, y) dei punti del volume di controllo 3D utilizzando DLTcal5.m22. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 5: file del foglio di calcolo di output DLTcal5.m contenente gli 11 coefficienti di trasformazione lineare diretta (DLT). File di foglio di calcolo di output (cal01_JOVE_test_DLTcoefs.csv) contenente gli 11 coefficienti DLT per le viste della telecamera sinistra e destra del sistema di telecamere stereoscopiche utilizzando DLTcal5.m22. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 6: Codice MATLAB personalizzato crop_left_right_stereovideo.m. Codice MATLAB personalizzato utilizzato per separare il file video di output in due file video, file video della fotocamera sinistra e destra. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 7: File video di output di un nervo periferico allungato. File video di output (nerve3_105-Nov-2021video.avi) di un nervo periferico allungato contenente i file video combinati delle viste della telecamera sinistra e destra. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 8: file video di visualizzazione della telecamera sinistra (ad esempio, Video 1) di un nervo periferico allungato. File video (nerve3_105-Nov-2021video_left.avi) di un nervo periferico allungato utilizzato per tracciare le traiettorie dei punti di riferimento utilizzando DLTdv7.m22. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 9: file video della telecamera destra (ad esempio, Video 2) di un nervo periferico allungato. A destra la telecamera visualizza il file video (nerve3_105-Nov-2021video_right.avi) di un nervo periferico allungato utilizzato per tracciare le traiettorie dei punti del creatore utilizzando DLTdv.7.m22. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 10: DLTdv7.m22. Codice MATLAB open source utilizzato per tracciare le traiettorie dei punti marker di file video ottenuti da un sistema di telecamere stereo-imaging calibrato utilizzando la trasformazione lineare diretta. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 11: file di output DLTdv7.m *_xypts.csv. Il primo file di output DLTdv7.m è *_xypts.csv (nerve3_105-Nov-2021videoanalyzed_cal09.30_trial1_xypts.csv) contiene le coordinate dei pixel (x1, y1), (x2, y2), ecc... per ogni punto tracciato in ogni intervallo di tempo. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 12: file di output DLTdv7.m *_xyzpts.csv. Il secondo file di output DLTdv7.m è *_xyzpts.csv (nerve3_105-Nov-2021videoanalyzed_cal09.30_trial1_xyzpts.csv) contiene le coordinate del mondo reale in millimetri (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), ecc... per ogni punto tracciato in ogni intervallo di tempo. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 13: file di output DLTdv7.m *_xyzres.csv. Il terzo file di output DLTdv7.m è *_xyzres.csv (nerve3_105-Nov-2021videoanalyzed_cal09.30_trial1_xyzres.csv) contiene il residuo DLT per ogni punto tracciato in ogni intervallo di tempo. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 14: file di output DLTdv7.m *_offset.csv. Il primo file di output DLTdv7.m è *_offset.csv (nerve3_105-Nov-2021videoanalyzed_cal09.30_trial1_offsets.csv) contiene l'offset video 1 e video 2 per ogni punto tracciato in ogni intervallo di tempo. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 15: file di output del progetto DLTdv7.m *_dvProject.mat. Il file di output del progetto DLTdv7.m (nerve3_105-Nov-2021videoanalyzed_cal09.30_trial1_dvProject.mat) contiene i percorsi dei file video, tutte le impostazioni dell'interfaccia, tutte le traiettorie dei punti di marcatura cliccate e le informazioni di calibrazione che consentono di ricaricare facilmente il progetto per apportare modifiche, se necessario. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 16: Codice MATLAB personalizzato PercentStrain_3D.m. Codice MATLAB personalizzato utilizzato per calcolare la lunghezza, la variazione di lunghezza e la deformazione percentuale di un nervo allungato tra marcatori adiacenti in ogni punto temporale. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 17: file di output PrecentStrain_3D.m *_3Dstrain.xls. File di output *_3Dstrain.xls (nerve3_105-Nov-2021_3Dstrain.xls) che contiene il tempo, la lunghezza, la variazione di lunghezza e la deformazione di ciascun punto tracciato in ogni intervallo di tempo. Clicca qui per scaricare questo file.

Discussione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli studi che riportano le proprietà biomeccaniche dei nervi periferici (PN) a causa di lesioni da stiramento variano e tale variazione può essere attribuita a metodologie di test come apparecchiature di prova e analisi dell'allungamento 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,24 . Questo protocollo offre una descrizione dettagliata per acquisire gli spostamenti tissutali tridimensionali (3D) delle PN durante l'allungamento utilizzando un sistema di telecamere stereo-imaging calibrato a trasformazione lineare diretta (DLT). Per una solida metodologia di analisi della deformazione, è necessario seguire i seguenti passaggi critici. Innanzitutto, il volume di controllo 3D deve avere un minimo di 30 punti. In secondo luogo, i punti di volume di controllo 3D devono essere digitalizzati nella stessa direzione utilizzando il digitalizzatore con il pedale e il programma DLTcal5.m22. In terzo luogo, quando si acquisisce un'immagine del volume di controllo 3D, il sistema di telecamere stereoscopiche deve essere posizionato all'altezza massima dell'oggetto di interesse da registrare (ad esempio, 6 cm per lo studio corrente). In quarto luogo, gli utenti devono sapere quali sono le viste della telecamera sinistra e destra. Infine, il tracciamento della traiettoria del marker deve essere completato sul Video 1 (ad esempio, la vista della telecamera sinistra) e quindi sul Video 2 (ad esempio, la vista della telecamera a destra).

È necessario scaricare MATLAB 2019A o una versione più recente e installare anche gli add-on Image Acquisition Toolbox, Computer Vision Toolbox, Image Processing Toolbox, Curve Fitting Toolbox, Statistics and Machine Learning Toolbox e Financial Analysis Toolbox.

La DLT è un metodo versatile che può essere applicato per la calibrazione della telecamera, la ricostruzione 3D, il tracciamento degli oggetti e l'analisi del movimento 20,22,23,25,26. Inoltre, la DLT fornisce una metodologia robusta e accurata per la calibrazione della fotocamera perché consente una stima precisa dei parametri della fotocamera, inclusi i parametri intrinseci (ad esempio, la lunghezza focale) e i parametri estrinseci (ad esempio, rotazione, traslazione)20,22. Studi precedenti hanno utilizzato sistemi di telecamere stereo-imaging calibrati DLT per studiare l'analisi della locomozione e dell'andatura degli esseri umani23 o dei modelli animali22. La metodologia presentata può essere facilmente implementata in qualsiasi studio che indaghi le risposte biomeccaniche delle PN alla lesione da stiramento. Questo protocollo fornisce codici MATLAB open-source e personalizzati utilizzati e creati, rispettivamente, per calibrare un sistema di telecamere stereo-imaging e tracciare gli spostamenti tissutali 3D dei PN durante l'allungamento.

In sintesi, un sistema di telecamere stereoscopiche calibrato DLT può fornire una metodologia più completa per determinare la deformazione dei PN in risposta all'allungamento. Questo studio attuale mira a sviluppare una metodologia che utilizza una telecamera stereo-imaging e DLT per misurare la deformazione in situ in PN allungati. Lo sviluppo di tale metodo aiuterà a quantificare la deformazione 3D nelle PN durante l'allungamento. Gli studi che indagano il cedimento delle PN allungate hanno dimostrato che si traduce in massima deformazione, deformazione persistente, variazione della deformazione regionale e localizzazione del cedimento, evidenziando l'importanza di comprendere la risposta biomeccanica delle PN allo stiramento 9,27,28. Inoltre, gli studi hanno dimostrato che i PN subiscono cambiamenti strutturali quando sottoposti a lesioni da stiramento28,29. Comprendere le soglie dei PN che subiscono questi cambiamenti è essenziale, in quanto può fornire informazioni sulla resilienza e l'integrità dei PN allungati28,29. Pertanto, quantificare in modo completo l'entità della lesione da stiramento nelle PN può aiutare gli studi futuri a correlare i cambiamenti strutturali e i deficit funzionali, fornendo una comprensione più profonda del meccanismo di lesione associato allo stretching della PN. Pertanto, questo studio è un primo passo fondamentale per migliorare la comprensione della biomeccanica delle lesioni delle PN per aiutare i medici a ottimizzare il trattamento e la riabilitazione per migliorare la qualità della vita dei pazienti e alleviare la sofferenza delle lesioni da PN. Inoltre, il protocollo dettagliato e i file supplementari forniti nello studio possono essere incorporati nei moduli didattici di biomeccanica esistenti e migliorare l'apprendimento degli studenti della tecnica DLT30.

Dichiarazioni

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.

Ringraziamenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questa ricerca è stata supportata da finanziamenti dell'Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development del National Institutes of Health con il numero di premio R15HD093024 e R01HD104910A e del premio NSF CAREER numero 1752513.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Foglio quadrato in plexiglass acrilico trasparenteW W Grainger IncBULKPSACR9Costruisci il volume di controllo tridimensionale
di telecamere per immagini stereo - ZED Mini Stereo CameraStereoLabs Inc.N/AN/A
Software di imaging - ZED SDKStereoLabs Inc.N/AN/A
Software di manutenzione - CUDA 12StereoLabs Inc.N/AScarica per eseguire ZED SDK 
Supporto per fotocamera - Supporto triangolare in ghisa con astaTelrose VWR Choice76293-346N/A
Digitalizzatore MicroSribe G2 con pedale a immersioneSUMMIT Technology GroupN/AN/A
Software di proramming - MATLAB MathworksN/Aversione 2019A o successiva
DLTcal5.mHedrick labN/AOpen Source
DLTdv7.mHedrick labN/AOpen Source
Sistema

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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