Method Article

3D кинематический анализ для функциональной оценки в Крыса Модель Сиатический нерв Давка травмы

DOI:

10.3791/60267

⸱

February 12th, 2020

 ,  ,  ,  , 
1Department of Development and Rehabilitation of Motor Function, Human Health Sciences, Graduate School of Medicine, Kyoto University, 2Department of Motor Function Analysis, Human Health Sciences, Graduate School of Medicine, Kyoto University, 3Department of Otolaryngology, The Ohio State University Wexner Medical Center

In This Article

Summary

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

Мы внедряем метод кинематический анализ, который использует трехмерный аппарат захвата движения, содержащий четыре камеры и программное обеспечение для обработки данных для выполнения функциональных оценок в ходе фундаментальных исследований с участием моделей грызунов.

Abstract

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

По сравнению с Sciatic Functional Index (SFI), кинематический анализ является более надежным и чувствительным методом для выполнения функциональных оценок седалищного нерва травмы грызунов моделей. В этом протоколе мы описываем новый метод кинематический анализ, который использует трехмерный (3D) аппарат захвата движения для функциональных оценок с использованием модели травмы седалищного нерва крысиного седалищадового нерва. Во-первых, крыса знакома с беговой дорожке ходьбы. Маркеры затем прикрепляются к назначенным костным ориентирам, и крысу заставят ходить по беговой дорожке с нужной скоростью. Между тем, задние движения конечностей крысы регистрируются с помощью четырех камер. В зависимости от используемого программного обеспечения, отслеживание маркеров создается с использованием автоматического и ручного режимов, а желаемые данные создаются после тонких корректировок. Этот метод кинематический анализ, который использует 3D аппарат захвата движения, предлагает многочисленные преимущества, в том числе превосходную точность и точность. В ходе комплексных функциональных оценок можно изучить гораздо больше параметров. Этот метод имеет ряд недостатков, которые требуют рассмотрения: система является дорогостоящим, может быть сложным в эксплуатации, и может привести к отклонениям данных из-за смещения кожи. Тем не менее, кинематический анализ с использованием 3D аппарата захвата движения полезен для выполнения функциональных передних и задних оценок конечностей. В будущем этот метод может стать все более полезным для получения точных оценок различных травм и заболеваний.

Introduction

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

Сиатический функциональный индекс (SFI) является эталонным методом для проведения функциональных седалитарных нервов оценки1. SFI был широко принят и часто используется в различных функциональных исследований оценки крысситов нервных травм2,3,4,5,6. Несмотря на свою популярность, есть несколько проблем с SFI, в том числе автомутация7,совместный контрактный риск, и мазок следов8. Эти проблемы серьезно влияют на его прогностичное значение9. Таким образом, в качестве замены SFI требуется альтернативный, менее подверженный ошибкам метод.

Одним из таких альтернативных методов является кинематический анализ. Это включает в себя всеобъемлющий анализ походки с использованием маркеров слежения, прикрепленных к костлявым ориентирам или суставам. Кинематический анализ все чаще используется для функциональных оценок9. Этот метод постепенно признается в качестве надежного и чувствительного инструмента для функциональной оценки10 без недостатков, приписываемых SFI11,12.

В этом протоколе мы описываем серию кинематический анализ, которые используют 3D аппарат захвата движения, состоящий из беговой дорожки, четырех 120 Гц заряженных камер совместного устройства (CCD) и программного обеспечения для обработки данных (см. Таблица материалов). Этот метод кинематический анализ отличается от общего видео ходьбы или походки анализа13,14. Две камеры расположены в разных направлениях для записи задних движений конечностей с одной стороны. Впоследствии, 3D цифровая модель задней конечности построен с помощью компьютерной графики9. Мы можем вычислить обозначенные углы сустава, такие как бедро, колено, лодыжка и сустав, путем тщательного повторения фактических размеров конечностей. Кроме того, мы можем определить различные параметры, такие как длина шага/шага и отношение фазы позиции к фазе качели. Эти реконструкции основаны на полностью реконструированных 3D-цифровой модели задних конечностей, генерируемой на основе данных, передаваемых двумя наборами камер. Даже воображаемый центр тяжести (CoG) траектории может быть рассчитан автоматически.

Мы использовали этот 3D аппарат захвата движения для введения и оценки нескольких кинематических параметров, которые показывают функциональные изменения с течением времени в контексте крысы седалищного нерва раздавить травмы модели травмы.

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

Protocol

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

Протокол был одобрен комитетом по экспериментам на животных Киотского университета, и все протокольные шаги были выполнены в соответствии с Руководящими принципами Комитета по экспериментам на животных, Киотского университета (номер одобрения: MedKyo17029).

1. Знакомство крыс с беговой дорожкой ходьбы

  1. Установите два прозрачных пластиковых листа по обе стороны беговой дорожки, чтобы 12-недельный самец Льюис крысы ходить в прямом, переднем направлении, а затем включить электрошоковую сетку.
  2. Поучите каждую крысу ходить по беговой дорожке. Постепенно разгоняйте беговую дорожку до нужной скорости (20 см/с или 12 м/мин) и дайте крысе нормально ходить на такой скорости в течение 5 мин. После каждой ходьбы сессии, обеспечить 1-2 мин отдыха. Повторите этот процесс 3x в день, 5 дней в неделю, в течение 1 недели.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Начните беговую дорожку пешком за 1 неделю до шага 2.
  3. Дом крыс в группах по три в клетке с 12 ч светло-темный цикл и кормить их коммерческой крысиной пищи и водопроводной воды объявление libitum.

2. Выполнение травмы седаличьего нерва давки

  1. Поместите крысу в индукционную камеру анестезии и введите 5% изолюранового ингаляционного раствора.
  2. Обеспечить интраперитонеальную инъекцию комбинированного анестетика, приготовленного с 0,15 мг/кг гидрохлорида мететомидина, 2 мг/кг мидазолама и 2,5 мг/кг батрата для крысы. Проверьте отсутствие педалей рефлексов. Затем побрить области от левого большеtrochanter до середины бедра с электрической бритвой.
  3. Разложите кусок асептической ткани, поместите крысу на нее, и он лежит в левом боковом положении. Поместите стерильные хирургические инструменты на ткань, а также.
  4. Создайте прямой разрез от большого трохантера до середины бедра с хирургическим лезвием No 10. Затем выполнить тупой вскрытие между четырехглавой фемориса и бицепс а мородис с помощью хирургического гемостата подвергать седалищу.
  5. Отсоедините седалирный нерв от окружающей ткани двумя парами микрофорсидов и раздавите седалищее нерв на 10 с, используя стандартный хирургический гемостат, чтобы создать 2 мм длинной травмы давки на участке непосредственно под ягодичной туберозностью.
  6. Выполните 9-0 нейлоновый эпиневральный стежок на проксимальном конце травмы с помощью пары микроусилитов, а затем закрыть мышцы и кожу с 4-0 нейлоновых швов.
  7. Обеспечить интраперитонеальный инъекцию анестезиолога, приготовленного с 0,3 мг/кг гидрохлорида атипамезола к крысе, чтобы разбудить ее в течение 10 минут. После того, как крыса оправляется от анестезии, наблюдайте за движениями левого ножа, в то время как крыса подвешена основанием хвоста. Если нос не распространяется на всех, операция была успешной.
  8. Дом крыс индивидуально после операции с 12 ч светло-темный цикл и кормить их коммерческой крысиной пищи и водопроводной воды объявление libitum.

3. Прикрепление маркеров

  1. Поместите обученную крысу в индукционную камеру анестезии и введите 5% изофрурановый ингаляционный раствор. Проверьте отсутствие педали рефлекс, щипать нос.
  2. Разрешить крысе постоянно анестезируется с помощью анестезируемой маски (2% изофруранового ингаляционного раствора). В то время как крыса получает стабильную анестезию, брить области от нижней части спины к двусторонним malleoli с помощью электрической бритвы.
    ВНИМАНИЕ: Чтобы предотвратить подвергая исследователей утечки изофлюран, убедитесь, что маска плотно покрывает голову и лицо крысы.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы предотвратить травму крысы, сбрить волосы как можно мягче.
  3. Поместите крысу в положение лежа. Используйте черную маркерную ручку, чтобы отметить следующие костные ориентиры на бритой коже: линия через спинные процессы от поясничных до сакральных позвонков, передние превосходные подвздошные ключи, больше trochanters, коленные суставы, боковые malleoli, пятый metatarsophalangeal суставов, и кончик четвертого пальца.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Линия через спинносые процессы используется для определения того, являются ли двусторонние маркеры аксиально симметричными.
  4. Используйте жидкий клей, чтобы прикрепить маркеры полушария к этим костным ориентирам, за исключением линии через спинные процессы от поясничного отдела до крестцовых позвонков, и кончик четвертого пальца. Используйте различные цвета для любой другой ориентир, чтобы избежать путаницы. Кончик четвертого пальца ног отмечен розовыми чернилами.
    ВНИМАНИЕ: Позаботьтесь о том, чтобы не капать клей на обнажённую кожу оператора.
  5. После размещения всех маркеров, положить крысу обратно в клетку. Не кладите крысу на беговую дорожку, пока она полностью не оправится от наркоза.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Снижение сознания может серьезно влиять на нормальную ходьбу, если крыса не полностью оправиться от анестезии.

4. Калибровка и настройка программного обеспечения

  1. Установите два прозрачных пластиковых листа с обеих сторон беговой дорожки и поместите калибровочную коробку в середине беговой дорожки. Откройте программное обеспечение для записи, а затем нажмите на значок калибровки изображения на дисплее(Дополнительный файл 1).
  2. Нажмите значок записи, чтобы записать 1-2 с видео с четырех направлений с помощью 120 Гц CCD камер. Нажмите на значок записи еще раз, чтобы остановить запись.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Видео будет сохранено автоматически, как только запись останавливается.
  3. Откройте видео файл в программном обеспечении для расчета. Нажмите и перетащите характерные точки калибровочной коробки 3D-моделей в правом нижнем углу экрана к соответствующим маркерам на четырех картинках, которые автоматически трансформируются из видео в шаблон калибровки(Дополнительный файл 2). Затем нажмите на значок Сохранить.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Не меняйте положение камер после завершения калибровки.

5. Запись ходьбы

  1. Возьмите калибровочная коробка из беговой дорожки, включите электрошоковую сетку и поместите полностью бодрствуя крысу на беговой дорожке. Откройте программное обеспечение для записи и введите основную информацию о крысе, включая ее серийный номер, скорость ходьбы и имя основного оператора.
  2. Включите беговую дорожку и установите скорость до 20 см/с. После крысы адаптируется к скорости и может ходить нормально, нажмите значок записи на дисплее для записи ходячих крыс с четырьмя камерами. После того, как достаточно шагов записаны (No gt;10), нажмите на значок еще раз, чтобы остановить запись, и выключить беговую дорожку.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Видео будет сохранено автоматически, как только запись останавливается.
  3. Положите крысу обратно в индукционную камеру анестезии для анестезии. В то время как крыса находится под непрерывной анестезией (введение через анестезиологическую маску), удалите маркеры полушария.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Удалите маркеры как можно мягче, чтобы избежать причинения боли крысе.
  4. В назначенное время (например, 1 неделя, 3 недели или 6 недель после операции) выполняйте кинематические измерения на крысе, повторяя шаги 3.1-5.3. Сделайте кинематические измерения только один раз, в начале эксперимента, для крыс, которые не получили хирургии (т.е. контрольной группы).

6. Отслеживание маркеров

  1. Откройте программное обеспечение для вычислений и откройте видеофайл на интерфейсе.
  2. Нажмите и перетащите двустороннюю панель управления на панели прогресса видео, чтобы убедиться, что отображается только 10-ступенчатая беговая дорожка ходьба запись(Дополнительный файл 3). Нажмите и перетащите каждую характерную точку от 3D-модели в правом нижнем углу экрана к соответствующему маркеру на каждом из четырех первоначальных фотографий видео, которые были сделаны камерами(Дополнительный файл 4).
  3. Нажмите на значок автоматической трассировки, чтобы начать процесс автоматического отслеживания маркеров(Дополнительный файл 5, Дополнительный файл 6). Если система не точно проследить маркер, нажмите на значок Ручной digitize, чтобы перейти к режиму ручного отслеживания(Дополнительный файл 7), нажмите на отслеживание характерной точки в 3D-модели, а затем на ответный маркер на картинке.
  4. После нажатия маркера убедитесь, что картинка переключается на следующий кадр видео. Теперь непрерывно нажимайте на маркер до завершения процесса отслеживания маркера. После завершения нажмите на значок Сохранить.

7. Кинематический анализ

  1. Откройте программное обеспечение для анализа, а затем откройте обработанный видеофайл на интерфейсе.
  2. Нажмите на значок настройки и выберите и добавьте обозначенные параметры, такие как угол лодыжки, угол ножа и сдвиг таза (X и оси) в список отображения в всплывающем окне справа(Дополнительный файл 8). Нажмите на OK,чтобы кривые, представляющие изменения значения параметров, отображались на интерфейсе.
  3. Нажмите на значок измерения и выберите плавную обработку в его выдвижном меню. Введите 20 Гц во всплывающем окне, чтобы удалить частоты больше, чем 20 Гц в пределах кривых(Дополнительный файл 9).
  4. Убедитесь, что на интерфейсе есть пять панелей: ходячее видео крысы, динамическая 3D-модель, кривые, представляющие изменения стоимости параметров из 10-ступенчатого цикла, кривые, которые представляют собой изменения среднего значения параметров, и гистограммы и схемические диаграммы, которые представляют соотношение позиции и фазы качели(Дополнительный файл 10).
  5. Нажмите правой кнопкой панели для кривых, представляющих среднее значение изменений параметров и выберите выход данных в выдвижной меню(Дополнительный файл 11). Это позволит производить средние значения задних уголков сустава конечностей, в том числе лодыжки и носка углы, тазовые сдвиг, и любые другие желаемые параметры в 10-ступенчатый цикл периодов.

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

Results

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

Мы выбрали четыре параметра для изучения функциональных изменений с течением времени в модели травмы седалищного нерва крысы. Это были отношение позиции к качели фазы, центр тяжести (CoG) траектории, лодыжки углы, и нос углы в "откинул" фазы9. Двадцать четыре крысы были случайным образом назначены в одну из четырех групп: контрольная группа (C), крысы на первом (1w), третий (3w), и шестой (6w) неделю после травмы левого седалищного нерва давки.

С помощью 3D кинематическ...

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

Discussion

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

В этом протоколе стабильная и постоянно гуляя крыса является наиболее важным компонентом кинематический анализ. Скорость беговой дорожки была установлена до 20 см/с. Эта скорость ходьбы ни в коем случае не считается "высокой", если крысы двигаться без ограничений пространства16. Тем не менее, эта скорость слишком быстрая для неподготовленных крыс, чтобы застойно ходить по беговой дорожке и, скорее всего, приведет к аномальной походки и неравномерности движений. Эти события могут серьезно повлиять ...

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

Disclosures

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

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgements

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

Это исследование было поддержано JSPS KAKENHI Грант номер JP19K19793, JP18H03129, и JP18K19739.

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
9-0 нейлоновый шовный материалBear Medic Corporation.T06A09N20-25
Обезболивающий аппарат для мелких животныхSHINANO MFG CO., LTD.SN-487-0T
ИЗОФЛУРАН Ингаляционный растворPfizer Japan Inc.(01)14987114133400
Анализатор киноKISSEI COMTEC CO., LTD.Н.А.Программное обеспечение для анализа
Жидкий клейKANBO PRAS CORPORATIONPT-B180
МикрощипцыBRC CO.
Регистратор движенийKISSEI COMTEC CO., LTD.Н.А.Программное обеспечение для записи
Стандартный хирургический гемостатFine Science Tools, Inc.12501-13
Хирургическое лезвие No.10FEATHER Safety Razor CO., LTD100D
Хирургический гемостатWorld Precision Instruments503740
Трехмерный аппарат захвата движений (KinemaTracer для животных)KISSEI COMTEC CO., LTD.Н.А.Система 3D-анализа движения, состоящая из камер
Трехмерный (3D) калькуляторKISSEI COMTEC CO., LTD.Н.А.Программное обеспечение для отслеживания маркеров
Беговая дорожкаMUROMACHI KIKAI CO.,LTDMK-685беговая дорожка с электроприводом, прозрачными штакетами и аппаратом контроля скорости
16171080

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kanaya, F., Firrell, J. C., Breidenbach, W. C. Sciatic function index, nerve conduction tests, muscle contraction, and axon morphometry as indicators of regeneration. Plastic and Reconstructive Surgery. 98 (7), 1264-1274 (1996).
  2. Takhtfooladi, M. A., Jahanbakhsh, F., Takhtfooladi, H. A., Yousefi, K., Allahverdi, A. Effect of low-level laser therapy (685 nm, 3 J/cm(2)) on functional recovery of the sciatic nerve in rats following crushing lesion. Lasers in Medical Science. 30 (3), 1047-1052 (2015).
  3. Xing, H., Zhou, M., Assinck, P., Liu, N. Electrical stimulation influences satellite cell differentiation after sciatic nerve crush injury in rats. Muscle & Nerve. 51 (3), 400-411 (2015).
  4. Yang, C. C., Wang, J., Chen, S. C., Jan, Y. M., Hsieh, Y. L. Enhanced functional recovery from sciatic nerve crush injury through a combined treatment of cold-water swimming and mesenchymal stem cell transplantation. Neurological Research. 37 (90), 816-826 (2015).
  5. Jiang, W., et al. Low-intensity pulsed ultrasound treatment improved the rate of autograft peripheral nerve regeneration in rat. Scientific Reports. 6, 22773(2016).
  6. Ni, X. J., et al. The Effect of Low-Intensity Ultrasound on Brain-Derived Neurotropic Factor Expression in a Rat Sciatic Nerve Crushed Injury Model. Ultrasound in Medicine & Biology. 43 (2), 461-468 (2017).
  7. Weber, R. A., Proctor, W. H., Warner, M. R., Verheyden, C. N. Autotomy and the sciatic functional index. Microsurgery. 14 (5), 323-327 (1993).
  8. Dellon, A. L., Mackinnon, S. E. Sciatic nerve regeneration in the rat. Validity of walking track assessment in the presence of chronic contractures. Microsurgery. 10 (3), 220-225 (1989).
  9. Wang, T., et al. Functional evaluation outcomes correlate with histomorphometric changes in the rat sciatic nerve crush injury model : A comparison between sciatic functional index and kinematic analysis. PLoS One. 13 (12), e0208985(2018).
  10. de Ruiter, G. C., et al. Two-dimensional digital video ankle motion analysis for assessment of function in the rat sciatic nerve model. Journal of the Peripheral Nervous System. 12 (3), 216-222 (2007).
  11. Walker, J. L., Evans, J. M., Meade, P., Resig, P., Sisken, B. F. Gait-stance duration as a measure of injury and recovery in the rat sciatic nerve model. Journal of Neuroscience Methods. 52 (1), 47-52 (1994).
  12. Dijkstra, J. R., Meek, M. F., Robinson, P. H., Gramsbergen, A. Methods to evaluate functional nerve recovery in adult rats: walking track analysis, video analysis and the withdrawal reflex. Journal of Neuroscience Methods. 96 (2), 89-96 (2000).
  13. Lee, J. Y., et al. Functional evaluation in the rat sciatic nerve defect model: a comparison of the sciatic functional index, ankle angles, and isometric tetanic force. Plastic and Reconstructive Surgery. 132 (5), 1173-1180 (2013).
  14. Rui, J., et al. Gait cycle analysis: parameters sensitive for functional evaluation of peripheral nerve recovery in rat hind limbs. Annals of Plastic Surgery. 73 (4), 405-411 (2014).
  15. Yu, P., Matloub, H. S., Sanger, J. R., Narini, P. Gait analysis in rats with peripheral nerve injury. Muscle & Nerve. 24 (2), 231-239 (2001).
  16. Amado, S., et al. The sensitivity of two-dimensional hindlimb joint kinematics analysis in assessing functional recovery in rats after sciatic nerve crush. Behavioural Brain Research. 225 (2), 562-573 (2011).
  17. Monte-Raso, V. V., Barbieri, C. H., Mazzer, N., Yamasita, A. C., Barbieri, G. Is the Sciatic Functional Index always reliable and reproducible? Journal of Neuroscience Methods. 170 (2), 255-261 (2008).
  18. Varejao, A. S. P., et al. Motion of the foot and ankle during the stance phase in rats. Muscle & Nerve. 26 (5), 630-635 (2002).
  19. Lin, F. M., Pan, Y. C., Hom, C., Sabbahi, M., Shenaq, S. Ankle stance angle: a functional index for the evaluation of sciatic nerve recovery after complete transection. Journal of Reconstructive Microsurgery. 12 (3), 173-177 (1996).
  20. Patel, M., et al. Video-gait analysis of functional recovery of nerve repaired with chitosan nerve guides. Tissue Engineering. 12 (11), 3189-3199 (2006).
  21. Filipe, V. M., et al. Effect of skin movement on the analysis of hindlimb kinematics during treadmill locomotion in rats. Journal of Neuroscience Methods. 153 (1), 55-61 (2006).
  22. Tajino, J., et al. Three-dimensional motion analysis for comprehensive understanding of gait characteristics after sciatic nerve lesion in rodents. Scientific Reports. 8 (1), 13585(2018).

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

3D Kinematic AnalysisSciatic Nerve CrushRat ModelMotion Capture ApparatusTreadmill WalkingMarker AttachmentBone LandmarksFunctional EvaluationPosterior LimbCenter Of Gravity

Related Articles