Summary

Direkt linjär transformation för mätning av in-situ perifer nervtöjning under sträckning

Published: January 12, 2024
doi:

Summary

Detta protokoll implementerar ett stereobildkamerasystem kalibrerat med hjälp av direkt linjär transformation för att fånga tredimensionella in-situ-förskjutningar av sträckta perifera nerver. Genom att fånga upp dessa förskjutningar kan belastning som induceras vid olika grader av sträckning bestämmas, vilket ger information om de trösklar för sträckskador som kan främja vetenskapen om sträckberoende nervreparation.

Abstract

Perifera nerver genomgår fysiologisk och icke-fysiologisk sträckning under utveckling, normal ledrörelse, skada och på senare tid under kirurgisk reparation. Att förstå den biomekaniska responsen hos perifera nerver på sträckning är avgörande för att förstå deras respons på olika belastningsförhållanden och därmed för att optimera behandlingsstrategier och kirurgiska ingrepp. Detta protokoll beskriver i detalj kalibreringsprocessen för stereobildkamerasystemet via direkt linjär transformation och spårningen av den tredimensionella in-situ vävnadsförskjutningen av perifera nerver under sträckning, erhållen från tredimensionella koordinater för de videofiler som fångats av det kalibrerade stereobildkamerasystemet.

Från de erhållna tredimensionella koordinaterna kan nervlängden, förändringen i nervlängden och procentuell belastning med avseende på tid beräknas för en sträckt perifer nerv. Att använda ett stereobildkamerasystem ger en icke-invasiv metod för att fånga tredimensionella förskjutningar av perifera nerver när de sträcks ut. Direkt linjär transformation möjliggör tredimensionella rekonstruktioner av perifer nervlängd under stretch för att mäta töjning. För närvarande finns ingen metodik för att studera in-situ-stammen av sträckta perifera nerver med hjälp av ett stereobildkamerasystem kalibrerat via direkt linjär transformation. Att fånga in-situ-stammen av perifera nerver när de sträcks ut kan inte bara hjälpa kliniker att förstå underliggande skademekanismer för nervskador vid översträckning utan också hjälpa till att optimera behandlingsstrategier som är beroende av stretch-inducerade ingrepp. Metodiken som beskrivs i artikeln har potential att öka vår förståelse för perifer nervbiomekanik som svar på stretch för att förbättra patientresultaten inom området hantering och rehabilitering av nervskador.

Introduction

Perifera nerver (PN) genomgår sträckning under utveckling, tillväxt, normal ledrörelse, skada och operation1. PN uppvisar viskoelastiska egenskaper för att skydda nerven under regelbundna rörelser 2,3 och upprätthålla den strukturella hälsan hos dess nervfibrer2. Eftersom PN-svar på mekanisk sträckning har visat sig bero på typen av nervfiberskada4, skador på intilliggande bindväv 2,4 och testmetoder (dvs. belastningshastighet eller riktning)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14är det viktigt att skilja mellan de biomekaniska reaktionerna hos partiklar under normal rörelseomfång jämfört med icke-fysiologisk räckvidd vid både långsamma och snabba sträckningshastigheter. Detta kan öka förståelsen för PN-skademekanismen som svar på stretch och hjälpa till med snabb och optimerad intervention 1,4,15,16. Det har funnits en växande trend inom sjukgymnastik att utvärdera och ingripa baserat på förhållandet mellan nervfysiologi och biomekanik17. Genom att förstå skillnaderna i PN-biomekanik vid olika applicerade belastningar kan fysioterapeuter vara bättre förberedda på att modifiera nuvarande interventioner17.

Tillgängliga biomekaniska data för partikelutdrag som svar på sträckning varierar fortfarande och kan hänföras till testutrustning och procedurer samt skillnader i analys av töjningsdata 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16. Dessutom är mätning av tredimensionell (3D) in-situ nervförskjutning fortfarande dåligt beskriven i den för närvarande tillgängliga litteraturen. Tidigare studier har använt stereoavbildningstekniker för att maximera noggrannheten vid 3D-rekonstruktion av vävnadsförskjutning av facettledkapslar 18,19. Tekniken för direkt linjär transformation (DLT) gör det möjligt att konvertera två eller flera tvådimensionella (2D) vyer till verkliga 3D-koordinater (dvs. i mm)20,21,22. DLT tillhandahåller en kalibreringsmetod med hög noggrannhet för stereobildbehandlingskamerasystem eftersom den möjliggör exakt rekonstruktion av 3D-positioner, med hänsyn till linsförvrängning, kameraparametrar och bildkoordinater, och möjliggör flexibilitet i stereobildkamerainställningen 20,21,22. Studier med DLT-kalibrerade stereobildkamerasystem används vanligtvis för att studera rörelse- och gånganalys22,23. Detta protokoll syftar till att erbjuda en detaljerad metod för att bestämma in-situ-stammen av partikelpartiklar vid olika grader av sträckning med hjälp av ett DLT-kalibrerat kamerasystem för stereobilder och en spårningsprogramvara med öppen källkod22.

Protocol

Alla procedurer som beskrivs har godkänts av Drexel University Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC). Den neonatala smågrisen förvärvades från en gård i Pennsylvania, USA, som är godkänd av USA:s jordbruksdepartement (USDA). 1. Inställning av stereobildsystem Anslut ett stereobildkamerasystem som fångar upp till 100 bilder/s (FPS) på ett verktygsstativ. Stereobildkamerasystemet som används i denna studie är en passiv stereokamera med två h…

Representative Results

Med hjälp av den beskrivna metodiken erhålls olika utdatafiler. DLTdv7.m *_xyzpts.csv (Supplemental File 12) innehåller (x, y, z) koordinaterna i millimeter för varje spårad punkt vid varje tidsram som vidare används för att beräkna längden, längdförändringen och töjningen för den sträckta PN. Representativa diagram för längdtid, förändring i längdtid och töjningstid för en sträckt PN visas i figur 10. Den sträckta PN hade en insättningsmarkör, fyra…

Discussion

Studier som rapporterar biomekaniska egenskaper hos perifera nerver (PN) på grund av sträckskada varierar, och den variationen kan tillskrivas testmetoder som testutrustning och töjningsanalys 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,24 <…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denna forskning stöddes av finansiering från Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development vid National Institutes of Health under utmärkelsenummer R15HD093024 och R01HD104910A och NSF CAREER Award nummer 1752513.

Materials

Clear Acrylic Plexiglass Square Sheet W W Grainger Inc BULKPSACR9 Construct three-dimensional control volume
Stereo-imaging camera system – ZED Mini Stereo Camera StereoLabs Inc. N/A N/A
Imaging Software – ZED SDK StereoLabs Inc. N/A N/A
Maintence Software – CUDA 12 StereoLabs Inc. N/A Download to run ZED SDK 
Camera stand – Cast Iron Triangular Support Stand with Rod Telrose VWR Choice 76293-346 N/A
MicroSribe G2 Digitizer with Immersion Foot Pedal SUMMIT Technology Group N/A N/A
Proramming Software – MATLAB  Mathworks N/A version 2019A or newer
DLTcal5.m Hedrick lab N/A Open Source
DLTdv7.m Hedrick lab N/A Open Source

References

  1. Bueno, F. R., Shah, S. B. Implications of tensile loading for the tissue engineering of nerves. Tissue Engineering Part B: Reviews. 14 (3), 219-233 (2008).
  2. Grewal, R., Xu, J., Sotereanos, D. G., Woo, S. L. Biomechanical properties of peripheral nerves. Hand Clinics. 12 (2), 195-204 (1996).
  3. Papagiannis, G., et al. Biomechanical behavior and viscoelastic properties of peripheral nerves subjected to tensile stress: common injuries and current repair techniques. Critical Reviews in Physical and Rehabilitation Medicine. 32 (3), 155-168 (2020).
  4. Castaldo, J., Ochoa, J. Mechanical injury of peripheral nerves. Fine structure and dysfunction. Clinics in Plastic Surgery. 11 (1), 9-16 (1984).
  5. Singh, A. Extent of impaired axoplasmic transport and neurofilament compaction in traumatically injured axon at various strains and strain rates. Brain Injury. 31 (10), 1387-1395 (2017).
  6. Singh, A., Kallakuri, S., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Structural and functional changes in nerve roots due to tension at various strains and strain rates: an in-vivo study. Journal of Neurotrauma. 26 (4), 627-640 (2009).
  7. Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Cavanaugh, J. M. A new model of traumatic axonal injury to determine the effects of strain and displacement rates. Stapp Car Crash Journal. 50, 601 (2006).
  8. Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Mechanical properties of spinal nerve roots subjected to tension at different strain rates. Journal of Biomechanics. 39 (9), 1669-1676 (2006).
  9. Singh, A., Shaji, S., Delivoria-Papadopoulos, M., Balasubramanian, S. Biomechanical responses of neonatal brachial plexus to mechanical stretch. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 13 (01), e8-e14 (2018).
  10. Zapałowicz, K., Radek, A. Mechanical properties of the human brachial plexus. Neurologia I Neurochirurgia Polska. 34, 89-93 (2000).
  11. Zapałowicz, K., Radek, A. . Annales Academiae Medicae Stetinensis. 51 (2), 11-14 (2005).
  12. Zapałowicz, K., Radek, M. The distribution of brachial plexus lesions after experimental traction: a cadaveric study. Journal of Neurosurgery: Spine. 29 (6), 704-710 (2018).
  13. Kawai, H., et al. Stretching of the brachial plexus in rabbits. Acta Orthopaedica Scandinavica. 60 (6), 635-638 (1989).
  14. Marani, E., Van Leeuwen, J., Spoor, C. The tensile testing machine applied in the study of human nerve rupture: a preliminary study. Clinical Neurology and Neurosurgery. 95, 33-35 (1993).
  15. Lee, S. K., Wolfe, S. W. Peripheral nerve injury and repair. JAAOS-Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons. 8 (4), 243-252 (2000).
  16. Rickett, T., Connell, S., Bastijanic, J., Hegde, S., Shi, R. Functional and mechanical evaluation of nerve stretch injury. Journal of Medical Systems. 35, 787-793 (2011).
  17. Topp, K. S., Boyd, B. S. Structure and biomechanics of peripheral nerves: nerve responses to physical stresses and implications for physical therapist practice. Physical Therapy. 86 (1), 92-109 (2006).
  18. Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Patwardhan, A., Cavanaugh, J. M. Development of an in vivo method to investigate biomechanical and neurophysiological properties of spine facet joint capsules. European Spine Journal. 14 (6), 565-572 (2005).
  19. Kallakuri, S., et al. Tensile stretching of cervical facet joint capsule and related axonal changes. European Spine Journal. 17 (4), 556-563 (2008).
  20. Abdel-Aziz, Y. I., Karara, H. M. Direct linear transformation from comparator coordinates into object space coordinates in close-range photogrammetry. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. 81 (2), 103-107 (2015).
  21. Pourcelot, P., Audigié, F., Degueurce, C., Geiger, D., Denoix, J. M. A method to synchronise cameras using the direct linear transformation technique. Journal of Biomechanics. 33 (12), 1751-1754 (2000).
  22. Hedrick, T. L. Software techniques for two- and three-dimensional kinematic measurements of biological and biomimetic systems. Bioinspiration & Biomimetics. 3 (3), 034001 (2008).
  23. Chen, L., Armstrong, C. W., Raftopoulos, D. D. An investigation on the accuracy of three-dimensional space reconstruction using the direct linear transformation technique. Journal of Biomechanics. 27 (4), 493-500 (1994).
  24. Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Methods for in vivo biomechanical testing on brachial plexus in neonatal piglets. Journal of Visualized Experiments. (154), e59860 (2019).
  25. Black, J., Ellis, T. Multi camera image tracking. Image and Vision Computing. 24 (11), 1256-1267 (2006).
  26. Cardenas-Garcia, J. F., Yao, H. G., Zheng, S. 3D reconstruction of objects using stereo imaging. Optics and Lasers in Engineering. 22 (3), 193-213 (1995).
  27. Mahan, M. A., Yeoh, S., Monson, K., Light, A. Rapid stretch injury to peripheral nerves: biomechanical results. Neurosurgery. 85 (1), E137-E144 (2019).
  28. Rydevik, B. L., et al. An in vitro mechanical and histological study of acute stretching on rabbit tibial nerve. Journal of Orthopaedic Research. 8 (5), 694-701 (1990).
  29. Mahan, M. A., Warner, W. S., Yeoh, S., Light, A. Rapid-stretch injury to peripheral nerves: implications from an animal model. Journal of Neurosurgery. 133 (5), 1537-1547 (2019).
  30. Singh, A., Ferry, D., Balasubramanian, S. Efficacy of clinical simulation based training in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 141 (12), 121011-121017 (2019).

Play Video

Cite This Article
Orozco, V., Balasubramanian, S., Singh, A. Direct Linear Transformation for the Measurement of In-Situ Peripheral Nerve Strain During Stretching. J. Vis. Exp. (203), e65924, doi:10.3791/65924 (2024).

View Video