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该协议实现了一个立体成像相机系统,该系统使用直接线性变换进行校准,以捕获拉伸周围神经的三维 原位 位移。通过捕获这些位移,可以确定在不同程度的拉伸下诱导的应变,从而通知拉伸损伤阈值,从而推进拉伸依赖性神经修复的科学。
周围神经在发育、正常关节运动、损伤以及最近接受手术修复时经历生理和非生理拉伸。了解周围神经对拉伸的生物力学反应对于了解它们对不同负荷条件的反应至关重要,因此,对于优化治疗策略和手术干预至关重要。该协议详细描述了立体成像相机系统的校准过程,通过直接线性变换和跟踪拉伸过程中周围神经的三维 原位 组织位移,从校准的立体成像相机系统捕获的视频文件的三维坐标中获得。
根据获得的三维坐标,可以计算出拉伸的周围神经的神经长度、神经长度的变化和随时间的变化百分比应变。使用立体成像摄像头系统提供了一种非侵入性方法,用于捕获拉伸时周围神经的三维位移。直接线性变换可以在拉伸过程中对周围神经长度进行三维重建,以测量应变。目前,还没有使用通过直接线性变换校准的立体成像相机系统研究拉伸周围神经的 原位 应变的方法。捕获拉伸时周围神经的 原位 应变不仅可以帮助临床医生了解过度拉伸时神经损伤的潜在损伤机制,还有助于优化依赖于拉伸诱导干预的治疗策略。论文中描述的方法有可能增强我们对响应拉伸的周围神经生物力学的理解,从而改善神经损伤管理和康复领域的患者预后。
周围神经 (PN) 在发育、生长、正常关节运动、损伤和手术1 过程中经历拉伸。PN 表现出粘弹性,可在正常运动期间保护神经 2,3 并维持其神经纤维的结构健康2。因为 PN 对机械拉伸的反应已被证明取决于神经纤维损伤的类型4、对相邻结缔组织的损伤 2,4 和测试方法(即负荷速率或方向)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,必须区分 PNs 在正常运动范围内和非生理范围内在慢拉伸和快速拉伸速率下的生物力学反应。这可以进一步理解响应拉伸的 PN 损伤机制,并有助于及时和优化干预 1,4,15,16。物理治疗越来越倾向于根据神经生理学和生物力学之间的关系来评估和干预17。通过了解各种施加负载下 PN 生物力学的差异,物理治疗师可以更好地准备修改当前的干预措施17。
响应拉伸的 PN 的可用生物力学数据仍然可变,可归因于测试设备和程序以及伸长数据分析的差异 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16。此外,在目前可用的文献中,测量三维 (3D) 原位神经位移仍然描述不佳。以前的研究使用立体成像技术来最大限度地提高小关节囊组织移位的 3D 重建的准确性18,19。直接线性变换 (DLT) 技术能够将两个或多个二维 (2D) 视图转换为 3D 真实世界坐标(即以毫米为单位)20,21,22。DLT 为立体成像相机系统提供了一种高精度校准方法,因为它能够精确重建 3D 位置,考虑镜头畸变、相机参数和图像坐标,并允许立体成像相机设置的灵活性 20,21,22。使用 DLT 校准的立体成像摄像系统的研究通常用于研究运动和步态分析22,23。该协议旨在提供一种详细的方法,以使用 DLT 校准的立体成像相机系统和开源跟踪软件22 来确定不同拉伸程度的 PN 的原位应变。
描述的所有程序均已获得德雷塞尔大学机构动物护理和使用委员会 (IACUC) 的批准。新生仔猪购自位于美国宾夕法尼亚州的美国农业部 (USDA) 批准的农场。
1. 立体成像系统设置
图 1:立体成像相机系统。 (A) 平行立体成像相机系统,两个摄像头(左和右摄像头)相隔,基线为 63 毫米。(B) 立体成像相机系统和支架设置示意图。 请单击此处查看此图的较大版本。
2. 立体成像系统 DLT Calibration-数字化 3D 控制体积
图 2:带脚踏板的 3D 控制体积和数字化器。 (A) 3D 控制体积示意图。(B) 带脚踏板的数字化器组件,用于数字化 3D 控制体积以获得 (x, y, z) 坐标,单位为 mm。简称:3D = 三维。 请单击此处查看此图的较大版本。
3. 立体成像相机系统标定 - 生成直接线性变换系数
图 3:使用立体成像相机系统获取三维控制体积图像的示意图,用于直接线性变换校准。 (A) 将立体成像相机系统连接到支架上,然后通过 USB Type-C 电缆将其连接到笔记本电脑。将 3D 控制体积置于立体成像相机系统下方 6 cm 处。(B) 使用成像软件拍摄 3D 控制体积的图像。输出图像是来自左右摄像机的组合图像。(C) 使用自定义 MATLAB 代码,将组合的输出图像分成 3D 控制体积的单独左右图像。简称:3D = 三维。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 4:为立体相机成像系统的左右相机视图生成直接线性变换系数的示意图。(A) 运行 DLTcal5.m22,单击控件窗口上的初始化,然后选择具有 3D 控制体积的数字化 (x, y, z) 坐标(以毫米为单位)的 *.csv 文件。(B) 选择左侧相机视图的校准图像。然后,按照数字化的顺序选择图像上的点。然后,单击 compute coefficients (计算系数) 以生成左侧相机视图的 DLT 系数。接下来,单击 Add camera (添加摄像机) 以重复右侧摄像机视图的步骤。(C) 选择右侧相机视图的校准图像。然后,按照数字化的顺序选择图像上的点。然后,单击 compute coefficients 为右侧摄像机视图生成 DLT 系数。(D) 单击 Save Data 以选择目录以保存左右相机视图的 DLT 系数。输入输出文件的名称,然后单击 OK,DLT 系数将保存为 *.csv 文件。缩写:3D = 三维,DLT = 直接线性变换。请单击此处查看此图的较大版本。
4. 数据采集
图 5:周围神经拉伸数据采集的代表性示意图。 (A) 将立体成像相机系统连接到支架上,然后通过 USB Type-C 电缆将其连接到笔记本电脑。将立体成像摄像头系统放置在周围神经上方 6 cm 处。(B) 周围神经夹在远端的机械装置上。使用基于墨水的皮肤标记物,在插入和夹住部位放置一个标记物,并沿神经长度放置另外两到四个标记物。盐水喷洒在周围神经上,以保持其在测试前、测试中和测试后的水分。 请单击此处查看此图的较大版本。
5. 数据分析 - 标记轨迹跟踪
图 6:设置新项目以开始三维轨迹跟踪的示意图。 (A) 运行 DLTdv7.m22 并单击 New Project 开始新项目。(B) 选择 2 作为视频文件的数量。(C) 选择 视频 1 文件 (即摄像机左视图),然后选择视频 2 文件(即摄像机右视图)。(D) 选择 "是 ",因为视频文件来自 DLT 校准的立体成像摄像机系统。然后,选择包含 DLT 系数的 *.csv 文件。(E) 所选视频文件现在已准备好进行跟踪。 请单击此处查看此图的较大版本。
键/单击 | 描述 |
左键单击 | 跟踪单击的帧中点的轨迹 |
(+)钥匙 | 在 arount mosue 指针 中 缩放当前视频帧 |
(-)钥匙 | 通过鼠标 指针 缩放当前视频帧 |
(i) 键 | 上移点 |
(j) 键 | 向左移动点 |
(k) 键 | 向右移动点 |
(m) 键 | 下移点 |
表 1:用于跟踪点轨迹的键盘和鼠标快捷键。
图 7:使用 DLTdv7.m 在视频 1 和视频 2 的组织标记物上放置初始点的示意图22。(A) 将当前点设置为 1。将点 1 放在视频 1 中的插入标记上。使用视频 2 中的蓝色外侧线,将点 1 放在插入标记上。(B) 将当前点设置为 2。将点 2 放在视频 1 中的标记 1 上。使用视频 2 中的蓝色外极线,将点 2 放在标记 1 上。(C) 将当前点设置为 3。将点 3 放在视频 1 中的标记 2 上。使用视频 2 中的蓝色外侧线,将点 3 放在标记 2 上。(D) 将当前点设置为 4。将点 4 放在视频 1 中的标记 3 上。使用视频 2 中的蓝色外侧线,将点 4 放在标记 3 上。(E) 将当前点设置为 5。将点 5 放在视频 1 中的标记 4 上。使用视频 2 中的蓝色外侧线,将点 5 放在标记 4 上。(F) 将电流点设置为 6。将点 6 放在视频 1 中的夹子标记上。使用视频 2 中的蓝色外极线,将点 6 放在夹标记上。请单击此处查看此图的较大版本。
图 8:使用 DLTdv7.m 跟踪视频 1 的标记点轨迹示意图22. (A) 将 帧号 设置为 1,将 当前点 设置为 1, 将自动跟踪模式 设置为 自动前进,将自动 跟踪预测器 设置为 扩展卡尔曼。(B) 将 当前点 设置为 1。在 视频 1 文件上,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪插入标记(即点 1)位移。(C) 将 帧号 设置为 1 ,将 当前点 设置为 2。在 视频 1 文件上,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪标记 1(即点 2)置换。(D) 将 帧号 设为 1 ,将 当前点 设为 3。在 视频 1 文件上,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪标记 2(即点 3)置换。(E) 将 帧编号 设置为 1 ,将 当前点 设置为 4。在 视频 1 文件上,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪标记 3(即点 4)置换。(F) 将 帧号 设为 1 ,将 当前点 设为 5。在 视频 1 文件上,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪标记 4(即点 5)置换。(G) 将 帧编号 设为 1 ,将 当前点 设为 6。在 视频 1 文件上,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪钳制标记(即点 6)置换。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 9:使用 DLTdv7.m 跟踪视频 2 的标记点轨迹示意图22. (A) 将 帧号 设置为 1, 将当前点 设置为 1,将自动 跟踪模式 设置为 自动前进, 将自动跟踪预测器 设置为 扩展卡尔曼。(B) 将 当前点 设置为 1。使用 视频 2 文件上的蓝色外极线,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪插入标记(即点 1)位移。(C) 将 帧号 设置为 1 ,将 当前点 设置为 2。使用 视频 2 文件上的蓝色外极线,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪标记 1(即点 2)的位移。(D) 将 帧号 设为 1 ,将 当前点 设为 3。使用 视频 2 文件上的蓝色外极线,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪标记 2(即点 3)的位移。(E) 将 帧编号 设置为 1 ,将 当前点 设置为 4。使用 视频 2 文件上的蓝色外极线,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪标记 3(即点 4)的位移。(F) 将 帧号 设为 1 ,将 当前点 设为 5。使用 视频 2 文件上的蓝色外极线,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪标记 4(即点 5)的位移。(G) 将 帧编号 设为 1 ,将 当前点 设为 6。使用 视频 2 文件上的蓝色外极线,通过逐帧左键单击直到最后一帧来开始跟踪钳制标记(即点 6)位移。 请单击此处查看此图的较大版本。
6. 数据分析-应变分析
使用所描述的方法,可以获得各种输出文件。DLTdv7.m *_xyzpts.csv(补充文件 12)包含每个时间范围内每个跟踪点的 (x, y, z) 坐标(以毫米为单位),进一步用于计算拉伸 PN 的长度、长度变化和应变。拉伸 PN 的代表性长度-时间、长度-时间变化和应变-时间图如图 10 所示。拉伸的 PN 有一个插入标记、沿其长度的四个标记和一个由六段组成的夹标记。通过量化拉...
报告因牵拉损伤而导致周围神经 (PN) 生物力学特性的研究各不相同,这种变化可归因于测试方法,例如测试设备和伸长率分析 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,24
作者没有需要披露的利益冲突。
这项研究得到了美国国立卫生研究院 Eunice Kennedy Shriver 国家儿童健康与人类发展研究所的资助,奖号为 R15HD093024 和 R01HD104910A 以及 NSF CAREER 奖1752513号。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
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