Method Article

순차적 3D-3D 등록을 이용한 4차원 CT 분석

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

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

우리는 4차원 컴퓨터 단층 촬영 데이터에서 관절 운동학을 분석했습니다. 순차적 3D-3D 등록 방법은 4차원 컴퓨터 단층 촬영 데이터로부터 피사체 뼈에 대하여 움직이는 뼈의 운동학을 반자동으로 제공한다.

Abstract

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

4차원 컴퓨터 단층 촬영(4DCT)은 일련의 볼륨 데이터를 제공하고 관절 움직임을 시각화합니다. 그러나 모든 체적 프레임의 세분화는 시간이 많이 걸리기 때문에 4DCT 데이터의 수치 분석은 여전히 어렵습니다. 우리는 순차적 3D-3D 등록 기술을 사용하여 관절 운동학을 분석하여 4DCT DICOM 데이터와 기존 소프트웨어를 사용하여 고정 된 뼈에 대하여 움직이는 뼈의 운동학을 반자동으로 제공하는 것을 목표로했습니다. 원본 골격의 표면 데이터는 3DCT에서 재구성됩니다. 트리밍된 표면 데이터는 각각 4DCT의 첫 번째 프레임의 표면 데이터와 일치합니다. 이러한 잘린 서피스는 마지막 프레임까지 순차적으로 일치합니다. 이러한 프로세스는 4DCT의 모든 프레임에서 대상 골격에 대한 위치 정보를 제공합니다. 대상 골격의 좌표계가 결정되면 두 골격 간의 변환 및 회전 각도를 계산할 수 있습니다. 이 4DCT 분석은 손목 뼈 또는 타르살 뼈와 같은 복잡한 구조의 운동학적 분석에서 이점을 제공합니다. 그러나 모션 아티팩트로 인해 빠른 모션또는 대규모 모션을 추적할 수 없습니다.

Introduction

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

관절 운동학은 모션 캡처 센서, 2D-3D 등록 및 시체 연구와 같은 여러 가지 방법론을 사용하여 설명되었습니다. 각 방법에는 특정 장점과 단점이 있습니다. 예를 들어 모션 캡처 센서는 피사체1,2에센서가 있거나 없는 적외선 카메라를 사용하여 빠르고 대규모의 모션을 측정할 수 있습니다. 그러나 이러한 방법은 관절 운동학을 추론하기 위해 피부 운동을 측정하므로 피부 운동 오류3을포함합니다.

시체 연구는 운동, 불안정성 및 접촉 영역4,5,6의범위를 평가하는 데 사용되었습니다. 이 접근법은 핀이나 나사를 사용하여 뼈에 직접 부착된 CT 또는 광학 센서를 사용하여 작은 관절의 작은 변화를 측정할 수 있습니다. 카다브릭 모델은 주로 수동 모션을 평가할 수 있지만 여러 액추에이터가 동적 모션7을시뮬레이션하기 위해 힘줄에 외부 힘을 적용하는 데 사용되었습니다. 액티브 조인트 모션은 2D-3D 등록 기....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

여기에 설명된 모든 방법은 게이오 대학 의과 대학의 기관 검토 위원회에 의해 승인되었습니다.

참고: 관절 운동학은 고정된 골격 주위의 움직이는 뼈의 모션을 재구성하여 측정됩니다. 무릎 관절 운동학의 경우 대퇴골은 고정 된 뼈로 정의되고 경골은 움직이는 뼈로 정의됩니다.

1. CT 화상 진찰 프로토콜

  1. CT 컴퓨터를 설정합니다. 320검출기-로우 CT 시스템으로 CT 검사를 획득하여 160mm 의 두개내경 커버리지를 가진 3D 부피 데이터의 여러 단계를 허용합니다. 예를 들어, 무릎 운동학의 분석에서 이미지 수집은 0.275 s의 회전 시간을 가진 51 개의 볼륨 스캔으로 구성되며 모든 이미지는 절반 재구성을 사용하여 재구성되어 시간 해상도가 약 0.16 s가되도록합니다.
  2. 피크 튜브 전압 = 100 kVp : 다음 스캐닝 매개 변수를 사용; 튜브 전류 = 40 mA; 스캔 범위 = 160mm; 매트릭스 크기 = 512 x 512 픽셀; 및 재건 섹션 두께 및 단면 간격 = 0.5 mm.
  3. 4DCT 시험의 시작 위치에 CT 갠트리 내부에 피험자의 표적 조인트를 놓습니다(그림1).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

우리는 무릎 확장 중 경골의 움직임을 설명합니다. 무릎 관절은 CT 갠트리에 위치시켰다. 삼각형 베개는 시작 위치에서 대퇴골을 지원하기 위해 사용되었다. 무릎은 10s. 방사선 노출의 과정을 통해 직선 위치로 확장되었다. 4DCT 이외에, 전체 대퇴골, 경골 및 슬개골의 정적 3DCT가 수행되었다. 전체 대퇴골과 경골의 표면 데이터를 재구성했습니다. 골 피질의 HU 수에 대한 임계값은 250 HU로 설정되었고 모든 51 프레임의 표면 데이터가 재구성되었습니다.

대퇴골과 경골은 사전 설정 된 4DCT 소프트웨어에서 생성 된 4DCT 영화 데이터를 시각적으로 검사하는 모든 4DCT 프레임에 포함 된 부분 표면 데이터로 트리밍되었습니다. 정적 3DCT 표면과 4DCT의 첫 번째 프레임에서 각 세그먼트의 랜드마크가 플롯되었습니다. 대퇴골에서 내측 및 측면 상피와 인터컨딜.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

우리의 방법은 전체 뼈의 움직임을 시각화하고 정량화 할 수 있으며 4DCT 데이터에서 고정 된 뼈에 대해 움직이는 뼈의 수치 위치 데이터를 제공합니다. 관절 운동학을 측정하기 위해 많은 도구가 제안되었습니다. 모션 스킨 마커는 오랜 시간 동안 전체 신체 움직임을 분석할 수 있습니다. 그러나이 방법은 피부 모션 오류3을포함합니다. 관절 운동학은 인접한 뼈의 움직임에서 추정되어야한다. 2D-3D 등록 방법은 형광투시경을 사용하고 순차적 2D 이미지에서 3D 운동학을 유추합니다. 분석 소프트웨어가 이를 고려하여 진화했지만 번역 오류는 여전히 존재합니다. 많은 시체 연구는 다른 시체 위치에서 CT 이미지를 복용하여 관절 운동학을 측정19. 그러나 이러한 모션은 순차적 정적 3D 이미지의 수동 모션을 나타내므로 활성 모션과 정성적차이가 있습니다.

이 프로토콜에는 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 이 품질.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

저자는 경쟁적인 재정적 이해관계가 없습니다.

Acknowledgements

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

이 연구는 우리 기관의 기관 검토 위원회 (승인 번호 : 20150128)에 의해 승인되었습니다.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
4DCT 스캐너Canon medical systems (Tochigi, Japan)N/A4DCT 스캔, 정적 3DCT 스캔
AVIZO(9.3.0)*Thermo Fisher Scientific (OR, USA)이미지 처리 소프트웨어.
CT DICOM 데이터 및 포인트 클라우드 데이터에서 표면 재구성.
* Ryan, T. M. & Walker, A. 유인원 영장류의 상완골 및 대퇴골 머리의 섬유주 뼈 구조. 아나트 렉 (호보켄). 293 (4), 719-729, doi:10.1002/ar.21139, (2010).
Meshlab**ISTI (이탈리아 피사)N/A표면 트리밍 및 랜드마크 피킹
** MeshLab: 오픈 소스 메시 처리 도구. 제6회 Eurographics 이탈리아 지부 컨퍼런스, 페이지 129-136, 2008.
P. Cignoni, M. Callieri, M. Corsini, M. Dellepiane, F. Ganovelli, G. Ranzuglia
VTK(6.3.0)***Kitware (New York, USA)N/A반복 최근접점 알고리즘. 파이썬 언어 프로그래밍에 사용됩니다.
*** https://vtk.org
Python(3.6.1)Python Software FoundationN/ADICOM 파일 처리로 뼈 피질('dicom.py' 모듈)에서 포인트 클라우드를 추출합니다.
회전 매트릭스 계산. (Numpy 모듈)
ICP 알고리즘을 사용한 순차 이미지 생성

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

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

Related Articles