Summary
Целью протокола является измерить расширение диапазона движения колена крыса. Эффекты различных заболеваний, которые увеличивают жесткость коленного сустава и эффективности лечения могут быть количественно.
Abstract
Нормальный колена диапазон движения (ROM) имеет решающее значение для благополучия и позволяет выполнять основные операции, например ходить, подниматься по лестнице и сидя. Потерянные ROM называется совместной контрактуры и приводит к увеличению заболеваемости. Из-за сложности реверсивный установленного коленного контрактуры, Ранняя диагностика имеет важное значение, и следовательно, важно знать факторы риска для их развития. Крыса представляет собой хорошую модель, с которой можно изучить эффект вмешательства из-за схожести Анатомия колена крыса, людей, способность крыс терпеть длинные длительности иммобилизации коленного сустава при сгибании, и потому, что механические данные могут быть коррелирует с гистологических и биохимический анализ ткани колена.
С помощью автоматизированных arthrometer, мы демонстрируем проверенных, точные, воспроизводимость, пользователей независимый метод измерения модуля ROM крыса коленного сустава в конкретные моменты. Этот arthrometer может использоваться для определения воздействия мероприятий на колено совместные ROM в крысу.
Introduction
Имея полный диапазон движения (ROM) суставов имеет решающее значение для здоровья и благополучия1. Потери в совместных пассивной ПЗУ называется Дюпюитрена2. Совместная контрактуры могут возникать из многочисленных условий, включая длительном постельном режиме, паралич, совместные артропластика, ожоги, инфекции и неврологических условий1,3,4,5. Контрактура коленного сустава может отключение как ускоряет совместных дегенерации, увеличивает риск падений и пагубно влияет на способность человека выполнять основные функциональные задачи, включая ходьбе, сидя и восхождение лестнице6, 7.
После того, как установлено, контрактур коленного сустава трудно лечить, и поэтому определить, какие пациенты находятся на высокий риск развития этого состояния имеет важное значение для предотвращения и недопущения контрактуры связанные заболеваемости8. Эксперименты предназначены для оценки 1 условий, вызывающих или влияющие на совместных контрактуры колена, 2) тяжести контрактуры, 3) их временной прогрессии, 4 тканей, участвующих в контрактуры, 5) их обратимость, а также 6) полезность из различных профилактических и лечебных мероприятий на колено совместные ROM. Для всех этих экспериментов действительный, объективной, точной и воспроизводимый метод для измерения ROM является критическим. Другие вспомогательные меры (расходование энергии, histomorphometry, ген выражение и белков содержание) являются полезным маркеры, чтобы понимать патофизиологию совместного контрактуры, но механическим ограничением является то, что ограничивает пациента и приводит к инвалидности. Некоторые из проблем в этой области исследований включает в себя гетерогенных методы, посредством которых колена ROM может испытываться экспериментально, а также отсутствие количественных данных9. Использование целого ряда различных экспериментальных методов приводит к результатам, которые не являются сопоставимыми Лаборатория лаборатория. Это привело к споры относительно условий (например, иммобилизации или совместных эндопротезирование) вызывают совместных контрактуры10. Поэтому необходима автоматизированный метод экспериментально измерения совместных ПЗУ после вмешательства.
Здесь мы описываем пользователя независимые, действительно, точные и воспроизводимые протокол для оценки крыса колена ROM с помощью заказных arthrometer, связанных с цифровой камеры точно измерить колена ROM в расширение. Мы протестировали эффект различных периодов иммобилизации на колено ROM. Затем мы опишем методы для измерения ROM на предварительно определенных моментов в результате цифровых изображений, используя фиксированный костлявые достопримечательностей. В целом эти методы надежно измерить крыса колена ROM и представить количественные данные.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Модель крыса иммобилизации коленного был одобрен университета Оттавы животное уход и ветеринарной службы и местных Этический Комитет.
1. животных подготовка
- В конце периода заранее иммобилизации усыпить крысы администрацией углекислого газа.
Примечание: Здесь мы использовали модель иммобилизации с тарелкой и 2 винта (один вставляются в проксимального отдела бедренной кости и другой в дистальной части голени), которая избегает нарушение любого колена совместных структур и поддерживает согнутом колене позиция 135°, как описано ранее6 . Течение определенного периода времени это производит контрактуры колена в сгибании11. - Обложка области как на, так и вокруг поверхности, что arthrometer будет делаться на с прокладки абсорбирующие, вода доказательства защиты. Надевайте перчатки, лабораторный халат и защиты глаз, при заполнении эксперимент.
- С помощью скальпеля, разделите кожи подвергать пластины и винты (см. Примечание после шага 1.1); вставить более проксимальном винт в проксимального отдела бедренной кости и вставить более дистальных винт в дистальной части голени. Ощупывайте найти винты. После того, как головки винтов являются доступными, удалите винт с помощью отвертки.
Примечание: В период иммобилизации, головки винтов может стать покрыта мягких тканей. Если это происходит, используйте скальпель осторожно удалить ткани и выявить головки винтов. - После удаления винтов, удалить пластину вручную или с помощью щипцов из комплекта рассечение.
- С помощью ножниц и щипцы, deglove нижней конечности, чтобы удалить кожу от базовой фасции.
2. животное, позиционирование на мотор приводом Arthrometer
Примечание: Все испытания должны быть выполнены при комнатной температуре. Здесь arthrometer питается от стандартного Северной Америки 120 V вход. Выходной адаптер, 12 В, 500 мА.
- Поместите животное, чтобы быть проверена на своей стороне с экспериментальной ноги (ноги, чтобы быть проверены) вверх (рис. 2).
- Закрепите бедренной кости в рифленый металлический зажим, который интегрирован в стадии монтажа arthrometer. Пробейте отверстия через мышцы с помощью отвертки прецизионные Поместите зажим дистальнее большей вертела и обеспечить бедренной кости. Настройка боковой бедренной мыщелка через центр вращения arthrometer (рис. 1, 2).
- Положение подвижных руку с две вертикально должности за ногу, просто превосходит пяточной кости, чтобы подтолкнуть колена в пассивной расширение раз электродвигатель активируется.
- Затяните зажим бедренной кости на своей базе, с использованием шестигранный ключ до тех пор, пока она закреплена.
- Убедитесь камера правильно установлен на arthrometer, с помощью отвертки и на Ручной фокус. Сфокусировать камеру на мыщелка бедренной кости.
- Выберите направление на arthrometer (по часовой стрелке или против часовой стрелки) в зависимости от направления колена ROM тестируется и положение крысы.
- Активируйте arthrometer мотор, одновременно нажав на кнопку питания и начать .
Примечание: Необходимость нажатия кнопки питания и начать одновременно является функцией безопасности устройства, которое предотвращает случайной активации.- Отмечают, что arthrometer мотор будет двигаться со скоростью до 6,6 RPM и затем остановить для 2.1 s по достижении первого заданные крутящий момент.
- Примечание: соответствующий ВОДИТЬ по достижении первого крутящий момент будет загораться и цифровой фотоаппарат автоматически примет снимок коленного сустава.
Примечание: После того как снимок сделан, arthrometer будет продолжать к следующему, высокий крутящий момент пресет. После того, как были применены четыре крутящих моментов, остановит arthrometer. После того, как крыса располагается на arthrometer и тестирования инициируется, общее время тестирование одно колено является приблизительно 18,8 s. раз могут незначительно отличаться в зависимости от состояния совместного контрактуры. Снимки, сделанные используются для измерения расширение при каждой крутящий момент.
3. захват угол колена расширение с помощью механического Arthrometer
Примечание: Когда мотор остановился на каждой прикладной крутящий момент, цифровой фотоаппарат запускается, чтобы сделать снимок. Камера позиционируется на раме, таким образом, что это непосредственно выше коленного сустава испытания и уделяется мыщелка бедренной кости.
- Продолжать испытания с же колено от же животных, но в другой ситуации, например, после myotomy заднего transarticular мышц выполняется изолировать компонент (не мышечной) arthrogenic контрактуры, или колено от другим животным.
- При заполнении myotomy, рассечь мышцы достаточно проксимальнее коленного сустава обеспечить, что капсула не вырезать.
Примечание: Это легче завершить myotomy, когда нога находится в расширение, после применения крутящий момент 4 (17.53 N-см). Затем повторите шаги 2.1 через 3.1.
- При заполнении myotomy, рассечь мышцы достаточно проксимальнее коленного сустава обеспечить, что капсула не вырезать.
- После того, как обе ноги были протестированы в любых условиях (например, до и после myotomy), распоряжаться туш животных и все зараженные материалы, институциональных протоколом и чистой arthrometer.
4. колено ROM анализ измерений
- Анализ с помощью ImageJ ROM.
Примечание: Здесь использовалась версия 1.45s. - Откройте файл, содержащий цифровое изображение, полученное с камеры, установленной на arthrometer крыса.
Примечание: Лицо, выполняющее анализ следует ослепил экспериментальной группы животного (например, иммобилизованных против управления). - Выберите инструмент Угол на главной панели инструментов и отслеживать угол femorotibial, бедренной кости линии от середины бедра зажим к боковой мыщелка (соответствие с перелом диафиза, рис. 2) и большеберцовой кости линии от боковых мыщелка бедренной кости к латеральной (рис. 2).
Примечание: Бедренно большеберцового угол соответствует максимальный угол колена расширения достигнутых на каждый пресет крутящий момент. - Используйте измерительный инструмент, нажав анализ | Мера Показать расчетный угол, производимые 2 линий, нарисованных выше. Используйте Конвенции 0° означает полное расширение.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Количество колена расширения определяется за различные периоды неподвижности обобщаются для увеличения длительности неподвижности и показать, что более тяжелые контрактуры были произведены после увеличения длины иммобилизации. Представитель результаты, используя ImageJ показаны на рисунке 3.
Возможность измерить максимальное расширение колени крыса образом действительный, точные и воспроизводимые, пользователь независимые, что уменьшает предвзятости в данных. В этом примере условии, мы оценивали расширение максимальная колена, после 16 недель для 7 крыс иммобилизации, сравнивая иммобилизованных (экспериментальная) конечностей-прикол контралатеральной конечности. Выбрали для иммобилизации конечности чередовались с одной крысы на следующий (например, Крыса 1 имел правого колена прикол, Крыса 2 слева). Следователь, измерения углов был ослеплен какой стороне был прикол во время измерений. Результаты представлены на рисунке 3. Для подвижности колена способность для максимального расширения было сокращено по сравнению с контралатеральной. Отдел transarticular мышц устраняет миогенных компонент сгибательная контрактура. После myotomy, максимальное расширение возможностей для экспериментальных и контралатерального колена увеличилось; Однако экспериментальные колена продолжала демонстрировать сгибательная контрактура (рис. 3).
Рисунок 1 : Колено arthrometer крыса. (A) весь аппарат (B) представитель изображение животного в arthrometer (C) электроника отображения и зажимы для arthrometer. (D) Расширенное изображение дисплея электроники. Цифры показывают различные моменты применяются: крутящий момент 1 = 2,53 N-cm, крутящий момент крутящий момент 2 = 7,53 N-см, крутящий момент 3 = 12,53 N-см, 4 = 17.53 N-cm. (E) Расширенное изображение бедренной зажим и большеберцовых толкая аппарата. Бедренной кости зажим крепится на сцену. Большеберцовых движущихся рука имеет 2 вертикально должностей, которые исправляют дистальной части нижней конечности и переместить колена в расширение. Стрелки и Шеврон указывают зажим бедренной кости и подвижные руки, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 : Arthrometer экспериментальных крыс для оценки и. Колено (A) расширение задней конечности измеряется с помощью большеберцовой линии, проведенной от боковых мыщелка бедренной латеральной и бедренной кости линии, проведенной от боковых мыщелка до середины бедра зажим. Стрелки и Шеврон указывают зажим бедренной кости и подвижные руки, соответственно. (B) высокое увеличение изображения мыщелка бедренной кости и (C) высокое увеличение латеральной.
Рисунок 3 : Иммобилизованных и контралатерального крыса колена диапазон движения после 16 недель иммобилизации. Для обоих коленях, после тестирования расширения колено с всех хрящевых структур нетронутыми (n = 7), myotomy транс суставной мышцы была выполнена для определения arthrogenic ограничение на ПЗУ данных представлены как среднее градусов от полного выдвижение (с использованием Конвенция 0 ° = полное расширение) с погрешностей, представляющий стандартное отклонение. * представляет p < 0.01 с использованием независимых образцы T-теста. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Колено arthrometer крыса была разработана для герметизации и надежно определить максимальное расширение крыса колена после вмешательства. Преимущества этого устройства включают в себя последовательное поколения крутящий момент через коленного сустава с постоянной руку длина и расширение сил. Еще одно преимущество включает в себя возможность устанавливать крутящий момент на уровне, который позволяет повторяющихся тестирование на же совместных оценить влияние различных хрящевых структур на колено ROM, как мышцы, капсулы или связки. Например после тестирования полностью нетронутыми совместных, задняя transarticular колена, что мышцы могут быть разделены и тестирования неоднократные для того, чтобы определить arthrogenic вклад в расширение ограничение11arthrometer.
Особенности механического arthrometer которые оптимизируют точность измерения включают в себя рифленые зажим, который предназначен для предотвращения вращения бедра во время тестирования (рис. 1). Дистальной две металлические вертикально должности привлекать ногу кзади, толкая колена в расширение в направлении по часовой стрелке и свести к минимуму риск заднего вывиха голени на бедра во время тестирования (рис. 1). Высота должностей и передний свес верхней прямой ссылки убедитесь, что голени не соскользнуть с должности. Способность вертикально должностей, чтобы повернуть и сохранить свои позиции на голени только проксимальнее пяточной кости гарантирует постоянный крутящий момент. Четырех моментов тестируются в последовательности: 2,53 N-см 7.53 N-, 12.53 N-см и 17.53 N-см. Самый высокий уровень крутящий момент преисполнена решимости быть количество силы, что привело к капсулярной неудачи в обычной (unoperated) крыса коленных суставов (например, расширение, превосходя 0 °) после разделения всех transarticular мышцы. Низкий крутящий момент был момент сопротивления угловое движение чуть выше измерению суммы на нормальных крыс коленных суставов. Середине двух моментов были установлены быть приблизительно посередине между высоких и низких крутящих моментов.
Другие методы измерения совместных ROM на конкретных моментов были описаны для обоих крыс и других животных моделей12,13,14,,1516. Некоторые из преимуществ нашей модели через эти системы включают в себя удобный размер, что позволяет benchtop размещение устройства без необходимости в специальных учреждениях. Другие модели могут также потребовать экзартикуляция конечности, изучается в то время как модель, представленная здесь не. Механически дугогасительные пути пост применяет силу расширения дистальной ногу, после углового прогрессирование колена, сохраняя тем самым последовательным угол приложения силы. Этап arthrometer разрешает размещение всего крыса на измерительный инструмент, позволяющий тестирование всех в situ суставной структур, которые могут способствовать потеряли ROM без нарушения совместного анатомии. Хотя протокол этики для нашей лаборатории исключает, испытания на животных, это теоретически будет возможно с соответствующим анальгезию и после тестирования, жертвуя протоколы.
Arthrometer представляем некоторые недостатки. Устройства была рассчитана на взрослых крыс колено для обеспечения подвижной руки длиной для обеспечения он бы не соскользнул ноги и ноги бы не соскользнуть руку. Молодых крыс, или более мелких и более крупных видов выиграют от нужного размера компонентов. Кроме того, перепрограммирование оптимальный момент руку и силы (крутящий момент) не потребуется. Если, к примеру использовался больше или меньше животных, регулируя длину момент руку и/или количество усилие достичь оптимальный крутящий момент может быть необходимым. Другие части arthrometer может также потребоваться изменяться, в зависимости от размера животного. В то время как движения arthrometer не зависят от пользователя, совместные измерения с помощью ImageJ могут подвергаться человеческой ошибки. Однако, мы нашли, что, с использованием представленные здесь методы, есть высокий интра оценщик и надежности между вещь с внутриклассовой коэффициенты корреляции 0,987 и 0,903, соответственно. Поскольку высокий крутящий момент часто повреждает хрящевых структур во время тестирования, действительный надежности между вещь для размещения животных и активации arthrometer трудно определить. Чтобы избежать ошибки измерения, которые могут быть связаны с наличием более чем одного следователя выполнения этой части протокола, мы рекомендуем того же следователь зафиксируйте крыс с arthrometer в течение всего исследования, чтобы какой-либо предвзятости согласуется между экспериментальные и контролировать колени. Потому что подколенные сухожилия крест коленного и тазобедренного суставов, ретроверсии таза может произойти во время тестирования в 1 и 2 до myotomy. Это может способствовать увеличение колена расширение для обеих экспериментальных и управления колени на этих моментов. Наконец результаты могут отличаться от верно в vivo ПЗУ, как протокол был разработан для тестирования Усыпленных вместо живых животных.
В то время как мы описали использование устройства для оценки воздействия на крыс коленного сустава неподвижность, другие условия, затрагивающие совместные ROM также можно было бы изучить. Существует множество примеров, некоторые из которых включают последствия травмы, повышение мышечного тонуса, вторичные оскорбление центральной нервной системы, или генетические изменения, касающиеся нервно-мышечные заболевания. Соответствующие мероприятия, например стволовых клеток приложения для коленного сустава, блокаду нервно-Джанкшн или генной терапии лечения, которые помогают обнаружить новые варианты лечения может быть оценена с помощью устройства.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют раскрытия или конфликты интересов объявить.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Joao Tomas за его техническую помощь с устройством и Khaoula Луати для помощи в разработке методов анализа изображения.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Arthrometer | The Ottawa Hospital Rehabilitation Centre - Rehabilitation Engineering | N/A | |
| Camera | Canon | EOS-500D | Commonly known as EOS Rebel T1i |
| ImageJ | National Institutes of Health | Version 1.45s | |
| Absotbent Underpads | VWR | 820202-845 | |
| Dissection Kit | Fisher | 08-855 | Kit Includes: Forceps: medium points, nickel-plated Scissors: 1.5 in. (40 mm) blades, stainless steel Dissecting knife handle: nickel-plated Knife blades: stainless steel, pack of 3 Dropping pipet: glass Bent dissecting needle: stainless steel with plastic handle Straight dissecting needle: stainless steel with plastic handle Vinylite Ruler 6 in. (15 cm) |
| Precision Screw Driver | Mastercraft | 057-3505-8 | |
| Scalpel Blades - #10 | Fine Science Tools | 10010-00 | |
| Screwdriver | Stanley | 057-3558-2 | |
| Hex Keys | Mastercraft | 058-9684-2 | |
| Universal AC to DC powder adapter | RCA | 108004951 |
References
- Clavet, H., Hébert, P. C., Fergusson, D., Doucette, S., Trudel, G. Joint contracture following prolonged stay in the intensive care unit. Canadian Medical Association Journal. 178 (6), 691-697 (2008).
- Campbell, T. M., Dudek, N., Trudel, G. Essentials of Physical Medicine and Rehabilitation: musculoskeletal disorders, pain, and rehabilitation. Silver, J. K., Frontera, W. R., Rizzo, T. D. , Saunders. Ch. 126 (2015).
- Dehail, P., et al. Acquired deforming hypertonia and contractures in elderly subjects: definition and prevalence in geriatric institutions (ADH survey). Annals of Physical and Rehabilitation Medicine. 57 (3), 11-23 (2014).
- Korp, K., Richard, R., Hawkins, D. Refining the idiom "functional range of motion" related to burn recovery. Journal of Burn Care and Research. 36 (3), 136-145 (2015).
- Elliott, L., Walker, L. Rehabilitation interventions for vegetative and minimally conscious patients. Neuropsychological Rehabilitation. 15 (3-4), 480-493 (2005).
- Campbell, T. M., Reilly, K., Laneuville, O., Uhthoff, H., Trudel, G. Bone replaces articular cartilage in the rat knee joint after prolonged immobilization. Bone. 106, 42-51 (2017).
- Trudel, G., et al. Mechanical alterations of rabbit Achilles' tendon after immobilization correlate with bone mineral density but not with magnetic resonance or ultrasound imaging. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 88 (12), 1720-1726 (2007).
- Harvey, L. A., et al. Stretch for the treatment and prevention of contractures. Cochrane Database of Systematic Reviews. 1, Cd007455 (2017).
- Trudel, G., Himori, K., Uhthoff, H. K. Contrasting alterations of apposed and unapposed articular cartilage during joint contracture formation. Archives of Physical Medicine Rehabilitation. 86 (1), 90-97 (2005).
- Trudel, G., Uhthoff, H. K., Goudreau, L., Laneuville, O. Quantitative analysis of the reversibility of knee flexion contractures with time: an experimental study using the rat model. BMC Musculoskeletal Disorders. 15, 338 (2014).
- Trudel, G., Uhthoff, H. K. Contractures secondary to immobility: is the restriction articular or muscular? An experimental longitudinal study in the rat knee. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 81 (1), 6-13 (2000).
- Chimoto, E., Hagiwara, Y., Ando, A., Itoi, E. Progression of an arthrogenic motion restriction after immobilization in a rat experimental knee model. Upsala Journal of Medical Sciences. 112 (3), 347-355 (2007).
- Ando, A., et al. Remobilization does not restore immobilization-induced adhesion of capsule and restricted joint motion in rat knee joints. Tohoku Journal of Experimental Medicine. 227 (1), 13-22 (2012).
- Abdel, M. P., et al. Effects of joint contracture on the contralateral unoperated limb in a rabbit knee contracture model: a biomechanical and genetic study. Journal of Orthopaedic Research. 30 (10), 1581-1585 (2012).
- Hildebrand, K. A., Sutherland, C., Zhang, M. Rabbit knee model of post-traumatic joint contractures: the long-term natural history of motion loss and myofibroblasts. Journal of Orthopaedic Research . 22 (2), 313-320 (2004).
- Klein, L., Player, J. S., Heiple, K. G., Bahniuk, E., Goldberg, V. M. Isotopic evidence for resorption of soft tissues and bone in immobilized dogs. Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 64 (2), 225-230 (1982).
