A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
التصوير الشعاعي بالفيديو ثنائي المستوى (BVR) هو تقنية تصوير متقدمة لفهم الحركة ثلاثية الأبعاد لعظام الهيكل العظمي والغرسات. من خلال الجمع بين أحجام الصور القائمة على الكثافة والصور الشعاعية بالفيديو للطرف العلوي البعيد ، يتم استخدام BVR لدراسة الحركة في الجسم الحي للمعصم والمفصل الزندي الراديوي البعيد ، بالإضافة إلى تقويم مفصل المفاصل.
يعد القياس الدقيق لحركية الهيكل العظمي في الجسم الحي أمرا ضروريا لفهم وظيفة المفصل الطبيعية ، وتأثير علم الأمراض ، وتطور المرض ، وآثار العلاجات. قدمت أنظمة القياس التي تستخدم علامات سطح الجلد لاستنتاج حركة الهيكل العظمي نظرة ثاقبة مهمة للحركية الطبيعية والمرضية ، ومع ذلك ، لا يمكن تحقيق مفصل دقيق باستخدام هذه الأنظمة ، خاصة أثناء الأنشطة الديناميكية. في العقدين الماضيين ، مكنت أنظمة التصوير الشعاعي بالفيديو ثنائية المستوى (BVR) العديد من الباحثين من دراسة حركية الهيكل العظمي للمفاصل بشكل مباشر أثناء أنشطة الحياة اليومية. لتنفيذ أنظمة BVR للطرف العلوي البعيد ، يتم الحصول على الصور الشعاعية بالفيديو لنصف القطر البعيد واليد من مصدرين معايرين للأشعة السينية بينما يقوم الشخص بمهمة معينة. يتم حساب مواضع الجسم الصلب ثلاثية الأبعاد (3D) من الصور الشعاعية بالفيديو عبر تسجيلات أفضل ملاءمة لإسقاطات النموذج ثلاثي الأبعاد إلى كل عرض BVR. النماذج ثلاثية الأبعاد عبارة عن أحجام صور قائمة على الكثافة للعظم المحدد المستمدة من بيانات التصوير المقطعي المحوسب المكتسبة بشكل مستقل. باستخدام وحدات معالج الرسومات وأنظمة الحوسبة عالية الأداء ، يظهر نهج التتبع القائم على النموذج هذا سريعا ودقيقا في تقييم الميكانيكا الحيوية للمعصم والمفاصل الزندية الراديوية البعيدة. في هذه الدراسة ، قمنا أولا بتلخيص الدراسات السابقة التي أثبتت اتفاق BVR دون المليمتري والدرجة الفرعية مع نظام التقاط الحركة البصرية في المختبر في تقييم حركية المعصم والمفصل الزندي الإشعاعي البعيد. علاوة على ذلك ، استخدمنا BVR لحساب سلوك مركز دوران مفصل الرسغ ، لتقييم نمط المفصل لمكونات الغرسة على بعضها البعض ، ولتقييم التغيير الديناميكي للتباين الزندي أثناء ضخ الساعد. في المستقبل ، يمكن التقاط عظام الرسغ بمزيد من التفصيل مع إضافة أجهزة الكشف عن الأشعة السينية ذات اللوحة المسطحة ، أو المزيد من مصادر الأشعة السينية (أي التصوير الشعاعي بالفيديو متعدد المستويات) ، أو خوارزميات الرؤية الحاسوبية المتقدمة.
يعد القياس الدقيق لحركية الهيكل العظمي في الجسم الحي ضروريا لفهم وظيفة المفاصل السليمة والبديلة ، وتأثير علم الأمراض ، وتطور المرض ، وآثار العلاجات. يعد تحديد حركية الهيكل العظمي بشكل غير جراحي على سطح المفصل (التهاب المفاصل) أمرا بالغ الأهمية لفهم أمراض المفاصل وأمراضها ، مثل هشاشة العظام ، ولكنه يمثل تحديا تقنيا. في السابق ، قدمت التقنيات التي تستخدم علامات سطح الجلد لاستنتاج حركة الهيكل العظمي نظرة ثاقبة مهمة حول الحركية الصحية والمرضية. ومع ذلك ، لا يمكن تحقيق علم المفاصل الدقيق باستخدام هذه التقنيات ، خاصة أثناء الأنشطة الديناميكية مثل أنشطة الحياة اليومية. هذه الأنظمة البصرية محدودة بطبيعتها في الدقة بسبب حركة الجلد بالنسبة للعظام الأساسية ، وهي المصدر الرئيسي للخطأ في تحليل الحركة البشرية1،2.
الطرق الحديثة الحالية لقياس حركية الهيكل العظمي ثلاثي الأبعاد (3D) هي التتبع المستند إلى الصور ، وهي التصوير الشعاعي بالفيديو ثنائي السطح (BVR) 3 والتصوير المقطعي المحوسب التسلسلي (CT) الأحجام4 والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) 5. على الرغم من أن التقنيات العادية القائمة على التصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي ثلاثية الأبعاد دقيقة للغاية ويمكن الوصول إليها في العديد من المستشفيات في جميع أنحاء العالم ، إلا أنها غير قادرة على قياس الحركة الديناميكية للمفاصل. تم تطوير تقنيات التصوير مثل المسح المقطعي المحوسب4D 6 والتصوير بالرنين المغناطيسيالديناميكي 7 في السنوات الأخيرة لحل هذا القصور. ومع ذلك ، فإن هذه الطرق إما تعرض المرضى لجرعة إشعاعية عالية أو تعاني من دقة زمنية منخفضة.
من خلال الجمع بين خوارزميات الرؤية الحاسوبية الجديدة وأنظمة الأشعة السينية التقليدية ، ثبت أن BVR دقيق للمفاصل المتعددة في والبشر. تم حلها إما باستخدام خوارزميات التتبع المستندة إلى العلامة أو المستندة إلى النموذج. تتعقب الأساليب القائمة على العلامات حبات التنتالوم التي يتم إدخالها في العظام أو الأنسجة الرخوة وهي مثالية للاختبار على وفي المختبر. ومع ذلك ، فهي غازية باهظة للأبحاث البشرية في الجسم الحي . لحسن الحظ ، توفر التحسينات في خوارزميات التتبع المستندة إلى النموذج بديلا قابلا للتطبيق. تتضمن مناهج تتبع BVR المستندة إلى النموذج في البشر إعداد مجموعات الصور الحجمية المكتسبة بواسطة التصوير المقطعي المحوسب أو التصوير بالرنين المغناطيسي في وضع ثابت والتقاط حركات الاهتمامات في مجال رؤية اثنين من الأشعة السينية. تقوم معظم تطبيقات التتبع المستندة إلى النموذج بعد ذلك بإنشاء صور شعاعية معاد بناؤها رقميا (DRR) للعظم أو الغرسة من صور التصوير المقطعي المحوسب أو التصوير بالرنين المغناطيسي الثابت ومطابقتها مع الصور الشعاعية بالفيديو المحسنة بالميزات باستخدام المقاييس التي توضح التشابه بين DRRs والصور الشعاعية بالفيديو8. تسمى هذه العملية "تتبع" العظم أو الزرع.
متغيرات الإخراج الأساسية لتتبع العظام أو الغرسات هي حركية الجسم الصلبة ، والتي يمكن من خلالها حساب حركية المفاصل ، واستطالة الأربطة9،10 ، وتباعد المفاصل كبديل لسمك الغضروف11 ، والتلامس المشترك12،13 ، والمؤشرات الحيوية الأخرى. في الآونة الأخيرة ، قمنا بتوثيق دقة تتبع BVR المستند إلى النموذج في حساب الميكانيكا الحيوية للمعصم ، وتقويم مفصل الرسغ الكلي (TWA) ، والمفصل الزندي الإشعاعي البعيد (DRUJ) 14،15. في القسم التالي ، يتم تقديم بروتوكول مفصل لهذه الطريقة التي تم التحقق من صحتها لدراسة حركة الرسغ الهيكلي وتقويم مفصل الرسغ الكلي والمفصل الزندي الإشعاعي البعيد أثناء المهام المختلفة. نقوم بتقسيم أحجام الصور القائمة على الكثافة للعظام والغرسات من أحجام صور التصوير المقطعي المحوسب ، وتتبع أحجام الصور الجزئية هذه داخل الصور الشعاعية بالفيديو ، وتحديد النتائج مثل مركز الدوران ونمط التلامس والتباين الزندي لإثبات نقاط القوة والقيود في هذه الطريقة.
تمت الموافقة على هذه الدراسة من قبل مجلس المراجعة المؤسسية (IRB) لمستشفى Lifespan - Rhode Island ، وهو IRB معتمد من AAHRPP. قدم ما مجموعه 16 مريضا موافقة مستنيرة موقعة وفقا للإرشادات المؤسسية.
1. الحصول على البيانات
الشكل 1. الإعداد التجريبي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. أ) شبكة غير مشوهة. ب) مكعب المعايرة والعناصر المرجعية له. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. معالجة البيانات
الشكل 3. صورة التصوير المقطعي المحوسب للمعصم والنماذج المعاد بناؤها من نصف القطر ، مشط القدم الثالث ، والزند. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4. أ) صورة شعاعية ملتقطة لمصدر الأشعة السينية مع الصور الشعاعية المعاد بناؤها رقميا (DRRs) للعظام. ب) التصوير الشعاعي المحسس (المصفى) وDRRs. ج) DRRs المتطابقة بعد عملية التحسين. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
3. تحليل البيانات
الشكل 5. تنسيق أنظمة العظام ومكونات الزرع. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يعتمد اختيار برنامج تسجيل الصور من 2D إلى 3D للتتبع المستند إلى النموذج جزئيا على الوصول إلى وحدة معالج الرسومات (GPU) وأنظمة الحوسبة عالية الأداء (HPC). هذه البرامج لها خطوط أنابيب مختلفة ، وحتى الآن ، لا توجد منهجية مشتركة بين البرامج. في هذه الدراسة ، نستخدم Autoscoper ، وهو برنام...
التصوير الشعاعي بالفيديو ثنائي المستوى (BVR) هو طريقة قائمة على الصور يمكن استخدامها لقياس حركة العظام والزرع في المعصم والمفصل الزندي الإشعاعي البعيد بدقة دون المليمتر والدرجة الفرعية. في الدراسات التي وصفناها هنا ، تم استخدام BVR لتحديد نمط دقيق من COR المتوقع للمعصم السل...
ليس لدينا تضارب في المصالح للإعلان عنه.
يريد المؤلفون أن يشكروا جوزفين كالشوف ولورين بارولا على مراجعة البروتوكول. يريد المؤلفون أيضا أن يشكروا إريكا تافاريس وروهيت باديدا على مساعدتهم طوال عملية الحصول على البيانات ، وكالبيت شاه وأرنولد بيتر فايس وسكوت وولف لمساعدتهم في تفسير البيانات. كانت هذه الدراسة ممكنة بدعم من المعاهد الوطنية للصحة P30GM122732 (COBRE Bio-engineering Core) ومنحة من المؤسسة الأمريكية لجراحة اليد (AFSH).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3D Surface Scanner | Artec 3D | Artec Space SpiderTM | Luxembourg |
Autoscoper | Brown University | https://simtk.org/projects/autoscoper | https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2019.05.040 |
CT Scanner | General Electric (GE) | Lightspeed 16 | Milwaukee, WI, USA |
Geomagic Wrap 3D | 3DSystems | Version 2017 | Rock Hill, SC, USA |
Graphics Processing Unit (GPU) | Nvidia | GeForce GTX 1080 | CUDA-enabled GPU |
High-speed Video Cameras | Phantom | Version 10 | Vision Research, Wayne, NJ, USA |
Image Intensifier | Dunlee | 40 cm diameter | Aurora, IL, USA |
ImageJ | Open-source (Brown University) | https://imagej.net/Fiji | https://doi.org/10.1038/nmeth.2019 |
Matlab | The MathWorks, Inc. | R2017a to R2020a | Natick, MA, USA |
Mimics | Materialise | Version 19.0 to 22.0 | Leuven, Belgium |
Motion Capture Cameras | Qualisys | Oqus 5+ | Gothenburg, Sweden |
Pulsed X-ray Generators | EMD Technologies | EPS 45–80 | Saint-Eustache, Quebec, QC, Canada |
Undistortion Grid | McMaster-Carr | 9255T641 | Steel Perforated Sheet Staggered Holes, 0.048" Thk, 0.125" Hole Dia, 36" X 40" |
Wrist Implant (In-vitro Study) | Integra LifeSciences | Universal 2 | Plainsboro, NJ, USA |
Wrist Implant (In-vivo Study) | Integra LifeSciences | Freedom | Plainsboro, NJ, USA |
WristViz | Open-source (Brown University) | https://github.com/DavidLaidlaw/WristVisualizer/tree/master | Open-source software |
X-ray Tubes | Varian Medical Systems | Model G-1086 | Palo Alto, CA, USA |
XMALab | Open-source (Brown University) | https://www.xromm.org/xmalab/ | https://doi.org/10.1242/jeb.145383 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved