Method Article

シーケンシャル3D-3D登録を用いた4次元CT解析

DOI:

10.3791/59857

⸱

November 23rd, 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Orthopedic Surgery, Keio University School of Medicine, 2Department of Orthopedic Surgery, Saiseikai Utsunomiya Hospital, 3Department of Radiology, Keio University School of Medicine

In This Article

Summary

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

4次元コンピュータ断層撮影データから関節運動学を解析した。順次3D-3D登録方法は、4次元コンピュータ断層撮影データから被検骨に対する移動骨の運動学を半自動的に提供する。

Abstract

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4次元コンピュータ断層撮影(4DCT)は、一連の体積データを提供し、関節運動を可視化します。ただし、すべての容積フレームのセグメンテーションには時間がかかるため、4DCT データの数値解析は困難なままです。4DCT DICOMデータと既存のソフトウェアを用いて、固定骨に対する移動骨の運動学を半自動的に提供するために、シーケンシャルな3D-3D登録技術を用いて関節キネマティクスを解析することを目指した。ソース ボーンのサーフェス データは、3DCT から再構築されます。トリムされたサーフェス データは、それぞれ 4DCT の最初のフレームのサーフェス データと一致します。これらのトリムサーフェスは、最後のフレームまで順番に一致します。これらのプロセスは、4DCTのすべてのフレームのターゲットボーンの位置情報を提供します。ターゲット ボーンの座標系が決定されると、任意の 2 つのボーン間の移動角度と回転角度を計算できます。この4DCT解析は、手根や歯皮などの複雑な構造の運動学的解析における利点を提供します。ただし、モーション アーティファクトが原因で、高速モーションまたは大規模モーションをトレースすることはできません。

Introduction

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ジョイントキネマティクスは、モーションキャプチャセンサ、2D-3D登録、死体研究など、多くの方法論を用いて記述されています。それぞれの方法には、特定の長所と短所があります。たとえば、モーション キャプチャ センサーは、被写体1、2のセンサーの有無にかかわらず赤外線カメラを使用して、高速で大規模な動きを測定できます。しかしながら、これらの方法は、関節運動学を推論する皮膚運動を測定し、したがって、皮膚運動誤差3を含む。

カダベリック研究は、運動、不安定性、および接触領域の範囲を評価するために使用されています4,5,6.このアプローチは、ピンまたはネジを使用して骨に直接取り付けられたCTまたは光学センサーを使用して、小さな関節の小さな変化を測定することができます。カダベリックモデルは主にパッシブモーションを評価できますが、複数のアクチュエータを使用して腱に外力を適用し、動的モーション7をシミュレートしています。アクティブジョイントモーションは、2D-3D登録技術で測定でき、3DCT画像を....

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Protocol

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ここで説明するすべての方法は、慶應義塾大学医学部の制度審査委員会によって承認されています.

注: ジョイント キネマティクスは、固定されたボーンの周囲の移動するボーンの動きを再構築することによって測定されます。膝関節運動学の場合、大腿骨は固定骨として定義され、脛骨は移動する骨として定義される。

1. CTイメージングプロトコル

  1. CT マシンをセットアップします。320検出器行CTシステムでCT検査を取得し、160mmの頭蓋蓋カバレッジを備えた3Dボリュームデータの複数のフェーズを可能にします。例えば、膝キネマティクスの解析では、画像取得は回転時間0.275sの51巻スキャンで構成され、すべての画像は半分の再構成を使用して再構成されるため、時間分解能は約0.16sです。
  2. 次のスキャン パラメータを使用します: ピークチューブ電圧 = 100 kVp;管の流れ= 40 mA;スキャンカバレッジ = 160 mm;行列サイズ = 512 x 512 ピクセル;および再構築断面の厚さと断面間隔 = 0.5 mm。
  3. 被験者のターゲットジョイントをCTガントリー内の4DCT試験の開始位置に配置する(図1)。
  4. CT試験の前に、必要な試験時間内に開始位置から終了位置までの関節の動きをリハーサルします....

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Results

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膝の延長中の脛骨の動きを記述する。膝関節はCTガントリーに配置された。三角形の枕は、開始位置で大腿骨を支えるために使用されました。膝を10sの間にまっすぐな位置まで伸ばし、放射線暴露を測定した。4DCTに加えて、大腿骨全体、脛骨、膝蓋骨の静的3DCTを行った。大腿骨と脛骨全体の表面データを再構築した。骨皮質のHU数の閾値は250 HUに設定され、全51フレームの表面データが再構築された。

大腿骨と脛骨は、プリセット4DCTソフトウェアで作成された4DCTムービーデータを視覚的にチェックすることにより、すべての4DCTフレームに含まれていた部分的な表面データにトリミングされました。静的な3DCT表面と4DCTの最初のフレームでは、各セグメントのランドマークがプロットされました。大腿骨では、内側および横エピコンジルおよびインターコンディラーノッチが同定された。脛骨では、関節表面の内側および横端および脛骨結節性も対応するランドマークとして同定された。大腿骨と.......

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Discussion

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この方法は、骨全体の動きを可視化し定量化することを可能にし、4DCTデータから固定骨に対して移動する骨の数値位置データを提供します。関節運動学を測定するための多くのツールが提案されています。モーションスキンマーカーは、長時間にわたる全身運動を分析できます。ただし、このメソッドにはスキン モーション エラー3が含まれています。関節運動学は、隣接する骨の動きから推定されるべきである。2D-3D登録方法は、透視検査を使用し、連続した2D画像から3Dキネマティクスを推測します。翻訳エラーは依然として存在しますが、分析ソフトウェアはこれに合わせたものがあります。多くの死体研究は、異なる死体の位置19でCT画像を取ることによって関節運動学を測定している。ただし、これらはシーケンシャルな静的 3D イメージからのパッシブ モーションを表すため、アクティブ モーションとは質的に異なります。

このプロトコルには、いくつかの重要な手順があります。この品質は、最初のサーフェス登録の精度から 4DCT の最初の.......

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Disclosures

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著者は競合する財政的利益を持っていない。

Acknowledgements

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本研究は、当機関の機関審査委員会によって承認されました(承認番号:20150128)。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
4DCTスキャナーキヤノンメディカルシステムズ(栃木県該当なし4DCTスキャン、スタティック3DCTスキャン
AVIZO(9.3.0)*サーモフィッシャーサイエンティフィック(OR、アメリカ)画像処理ソフト.
CT DICOMデータと点群データからの表面再構成.
*ライアン、T.M.&Walker, A. 類人猿類の霊長類の上腕骨と大腿骨の頭部における海綿骨構造。アナトレック(ホーボーケン)。293 (4), 719-729, doi:10.1002/ar.21139, (2010).
Meshlab **ISTI(ピサ、イタリア)N / A表面トリミングとランドマークピッキング
** MeshLab:オープンソースのメッシュ処理ツール。Sixth Eurographics Italian Chapter Conference, page 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反復的近接ポイント アルゴリズム.Python言語プログラミングで使用.
*** https://vtk.org
Python(3.6.1)Python Software FoundationN / A骨皮質から点群を抽出するためのDICOMファイル処理（ 'dicom.py'モジュール).
回転行列の計算。(Numpyモジュール)
ICPアルゴリズムを用いたシーケンシャル画像登録
)

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Andriacchi, T. P., Alexander, E. J., Toney, M. K., Dyrby, C., Sum, J. A point cluster method for in vivo motion analysis: applied to a study of knee kinematics. Journal of Biomechanical Engineering. 120 (6), 743-749 (1998).
  2. Corazza, S., et al.

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Four Dimensional CTSequential 3D 3D RegistrationJoint Kinematics AnalysisSurface Registration TechniqueIterative Closest Point AlgorithmBone Surface Reconstruction4DCT DICOM DataTranslation Rotation CalculationCarpal Tarsal AnalysisMotion Artifact Limitation

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