Четырехмерный Анализ КТ с использованием последовательной 3D-3D Регистрации
23 ноября 2019 г.
Мы проанализировали совместную кинематику из четырехмерных данных компьютерной томографии. Последовательный метод регистрации 3D-3D полуавтоматически обеспечивает кинематику движущейся кости по отношению к предметной кости из четырехмерных данных компьютерной томографии.
Метод реконструкции движения движущийся кости по отношению к фиксированной кости из 4D КТ данных, облегчая описание подробной кинематики суставов. После того, как мягкая из всей кости была создана, и ваши точки отсчета были выбраны, большинство процессов реконструкции будет завершена автоматически. С целевым соединением субъекта внутри КТ gantry 4D КТ изображения, попросите субъекта переместить соединение в течение 10-секундного времени сканирования, при получении ряда данных объема.
Для поверхностной полуавтоматической сегментации данных 3D CT загрузите данные CT DICOM в соответствующее программное обеспечение и нажмите Edit New Label Field, чтобы открыть поле метки. Определите, какое значение кТ является подходящим для извлечения корковой кости из кости источника, и выберите материалы со значениями окт утончения над порогом. Проверьте этикетку для выбора коры кости и используйте соответствующий инструмент редактирования, чтобы вручную изменить демаркацию.
Для генерации поверхностных данных из помеченных данных о положении коры кости нажмите Generate Surface и используйте ползунок, чтобы сгладить степень. Затем нажмите Применить. Чтобы сохранить поверхностные данные в формате STL, нажмите Файл и Экспортные данные Как, и выберите STL двоичный Little Endian.
Для выполнения автоматической сегментации данных объема 4D CT используйте модуль чтения DICOM в программном обеспечении программирования для извлечения геометрических данных, показывающих значения КТ выше порога из всех 51 кадра данных 4D CT. Затем используйте сценарий пакетной обработки для реконструкции всех поверхностных данных облака то же время с более высокими значениями интенсивности CT, чем порог для всех 4D-кадров CT в программном обеспечении обработки изображений. Для выполнения регистрации поверхности от статической 3D CT до первого кадра 4D CT используйте функцию фазы выбора для обрезки костей в статической 3D CT в частичные данные сегмента, которые включены во все кадры данных 4D CT фильма.
Данные поверхности 4D CT являются лишь частичными сегментами, которые будут включены в каждое изображение тома, потому что регистрация поверхности требует, чтобы одна точка данных поверхности была включена в другую поверхность. Используйте функцию Pick Points, чтобы выбрать три ориентира в фиксированных и движущихся костях, которые можно легко определить по обрезанной поверхности 3D CT и поверхностным данным первого кадра 4D CT в программном обеспечении для редактирования 3D-сетки. Затем сопоставить частичные фиксированные и движущиеся кости примерно на первом кадре данных поверхности 4D CT в соответствии с выбранными ориентирами, и использовать итеративный алгоритм ближайшей точки для выполнения регистрации поверхности в программном обеспечении с открытым исходным кодом.
Для выполнения последовательной регистрации поверхности используйте итеративный модуль ближайшей точки в программном обеспечении с открытым исходным кодом, чтобы сначала сопоставить частичные поверхности фиксированной кости в первом 4D-кадре CT на поверхностных данных второго кадра. Затем реконструируем движение движущихся костей по отношению к фиксированной кости. При измерении параметров вращения определите системы координат фиксированных и движущихся костей.
Примерные данные кинематики коленного сустава показывают, что угол голени Varus постепенно уменьшается по мере удлинить голени. В конце расширения увеличивается tibial внешнее вращение, соответствующее домашнему движению колена в предыдущих отчетах. Графики ошибки для перевода и вращения показывают, что ошибка терпима для длин бедренной кости длиной более 9% всей длины, а длина голени превышает 7% всей длины, так как толщина ломтика КТ составляет 0,5 милиметра и превышает размер ошибки.
Кроме того, расчет пателарной кинематики показывает, что боковой наклон коленной чашечки соответствует углу сгибания колена. Реконструкция поверхности коры кости должна быть визуально проверена и может потребовать ручной сегментации. В последнее время во многих исследованиях автоматических сегментации используются с использованием этих методов, реконструкция может выполняться автоматически.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной работе представлен метод реконструкции движения подвижной кости относительно неподвижной с использованием данных четырехмерной компьютерной томографии (4D КТ). Описываемый подход позволяет проводить детальный анализ кинематики суставов с помощью полуавтоматизированного процесса.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Биология
- Медицинская визуализация
Введение
- Кинематика суставов имеет решающее значение для понимания движения костей.
- 4D CT обеспечивает возможности динамической визуализации.
- Традиционные методы анализа движения суставов могут быть трудоемкими.
- Полуавтоматический подход может повысить эффективность и точность.
Цель исследования
- Разработать метод реконструкции движения костей на основе данных 4D CT.
- Улучшить анализ кинематики суставов.
- Автоматизировать отдельные этапы процесса реконструкции для повышения эффективности.
Используемые методы
- 4D КТ-визуализация целевого сустава в ходе 10-секундного сканирования.
- Полуавтоматическая сегментация поверхности данных 3D КТ.
- Подбор соответствующих порогов затухания КТ для выделения кортикальной кости.
- Ручное редактирование для уточнения границ.
Основные результаты
- Метод позволяет успешно реконструировать движение кости относительно неподвижной кости.
- Автоматизированные процессы значительно снижают объем ручной работы.
- Можно эффективно описать детальную кинематику суставов.
- Данный подход углубляет понимание динамики костей.
Выводы
- Данный метод обеспечивает надежную основу для анализа кинематики суставов.
- Данные 4D КТ могут быть эффективно использованы для реконструкции движения.
- В будущем возможен перенос данного метода на различные области биомеханики.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Данный метод позволяет проводить количественный анализ кинематики суставов на основе данных 4D КТ, что способствует механистическому пониманию функций опорно-двигательного аппарата. Благодаря полуавтоматической реконструкции движения костей он снижает объем ручной работы в доклинических исследованиях с применением методов визуализации. Этот подход обладает прогностической ценностью для оценки прилегания имплантата, взаимодействия устройств или биомеханических характеристик в трансляционных исследованиях.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишеней
- Научная ценность: Позволяет проверять терапевтические гипотезы, связанные с механикой суставов и двигательными расстройствами.
- Практическая ценность: Обеспечивает функциональную валидацию мишеней путем уточнения паттернов движения костей в моделях заболеваний.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Подготовка валидированных биологических систем для последующих этапов анализа путем получения количественных кинематических данных.
- Практическая ценность: Повышение стандартизации и воспроизводимости анализа за счет полуавтоматической регистрации поверхности и отслеживания ошибок.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: связывает этап открытия с доклинической валидацией, обеспечивая анализ динамики суставов в системах, релевантных для заболевания.
- Практическая ценность: поддерживает принятие решений о продвижении проекта с учетом рисков благодаря измеримым параметрам трансляции и ротации с определенными порогами погрешности.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод вписывается в континуум открытий от проверки гипотез до идентификации ведущих соединений, что особенно актуально для программ, сосредоточенных на биомеханике.
- Открытия в биологии: Поддерживает проверку гипотез и уточнение путей за счет количественного определения движения костей относительно фиксированных анатомических ориентиров.
- Скрининг: Обеспечивает готовность анализа путем генерации стандартизированных данных о поверхности и последовательной 3D-3D регистрации в разные моменты времени.
- Аналитика: Предоставляет количественные измерения зависимых переменных (трансляция, углы ротации), что позволяет проводить сравнение между различными условиями и оценку погрешностей.
- Трансляционные исследования: Обеспечивает преемственность с доклиническими исследованиями, предлагая биомеханические биомаркеры, соответствующие функции и движению суставов.
- Корпоративное повторное использование: Служит многократно используемым методом визуализации для оценки механики суставов при различных моделях заболеваний или в исследованиях устройств.
Влияние на операционную деятельность и предприятие
- Научная ценность: Повышение достоверности прогнозов механики суставов, снижение механистической неопределенности в фенотипах, основанных на движении.
- Операционная ценность: Стандартизация, воспроизводимость и масштабируемость за счет полуавтоматизированных рабочих процессов и пакетной обработки кадров 4D CT.
- Стратегическая ценность: Более обоснованные решения о продолжении или прекращении разработки (go/no-go), эффективность использования капитала и снижение биологических рисков на поздних стадиях в программах, связанных с опорно-двигательным аппаратом или медицинскими устройствами.
- Влияние на портфель: Приоритизация с учетом рисков и принятие решений о продвижении проектов на основе количественного кинематического профилирования.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области медицинской визуализации, обработки 3D-поверхностей и кинематического анализа.
- Зависит от наличия 4D-КТ сканеров, программного обеспечения с поддержкой DICOM и инструментов регистрации с открытым исходным кодом (например, алгоритмов итеративного поиска ближайшей точки).
- Необходимо межкомандное согласование между подразделениями визуализации, биологии и биоинформатики для обеспечения единообразия маркировки поверхностей и выбора ориентиров.
- Требует учета особенностей адаптации для различных модельных систем в связи с различиями в размере костей, сложности суставов и амплитуде движений.
- Ограничено влиянием артефактов движения при быстрых или масштабных перемещениях, как отмечено в исходном материале.
