Analyse cinématique 3D pour l’évaluation fonctionnelle dans le modèle de rat de la blessure d’écrasement de nerf sciatique

Résumé

Nous introduisons une méthode d’analyse cinématique qui utilise un appareil tridimensionnel de capture de mouvement contenant quatre caméras et un logiciel de traitement de données pour effectuer des évaluations fonctionnelles au cours de la recherche fondamentale impliquant des modèles de rongeurs.

Résumé

Comparé à l’indice fonctionnel sciatique (SFI), l’analyse cinématique est une méthode plus fiable et sensible pour effectuer des évaluations fonctionnelles des modèles sciatiques de rongeur de dommages de nerf. Dans ce protocole, nous décrivons une nouvelle méthode d’analyse cinématique qui emploie un appareil tridimensionnel (3D) de capture de mouvement pour des évaluations fonctionnelles utilisant un modèle sciatique de blessure d’écrasement de nerf de rat. Tout d’abord, le rat est familiarisé avec la marche sur tapis roulant. Les marqueurs sont ensuite fixés aux repères osseux désignés et le rat est fait pour marcher sur le tapis roulant à la vitesse désirée. Pendant ce temps, les mouvements postérieurs des membres du rat sont enregistrés à l’aide de quatre caméras. Selon le logiciel utilisé, les traçons marqueurs sont créés à l’aide de modes automatiques et manuels et les données souhaitées sont produites après des ajustements subtils. Cette méthode d’analyse cinématique, qui utilise un appareil de capture de mouvement 3D, offre de nombreux avantages, y compris une précision et une précision supérieures. Beaucoup plus de paramètres peuvent être étudiés au cours des évaluations fonctionnelles complètes. Cette méthode présente plusieurs lacunes qui nécessitent une prise en considération : le système est coûteux, peut être compliqué à utiliser et peut produire des déviations de données dues au déplacement de la peau. Néanmoins, l’analyse cinématique utilisant un appareil de capture de mouvement 3D est utile pour effectuer des évaluations antérieures et postérieures fonctionnelles de membre. À l’avenir, cette méthode pourrait devenir de plus en plus utile pour générer des évaluations précises de divers traumatismes et maladies.

Introduction

L’indice fonctionnel sciatique (ISF) est la méthode de référence pour effectuer des évaluations fonctionnelles des nerfs sciatiques¹. Le SFI a été largement adopté et est fréquemment utilisé dans diverses études d’évaluation fonctionnelle sur les lésions nerveuses sciatiques rat^2,3,4,5^,6. En dépit de sa popularité, il ya plusieurs problèmes avec SFI, y compris l’automutilation⁷, risque de contracture conjointe, et le frottis des empreintes⁸. Ces problèmes affectent sérieusement sa valeur pronostique⁹. Par conséquent, une autre méthode moins sujette aux erreurs est nécessaire pour remplacer l’ISF.

Une telle méthode alternative est l’analyse cinématique. Cela comprend une analyse complète de la démarche à l’aide de marqueurs de suivi attachés à des repères osseux ou des joints. L’analyse cinématique est de plus en plus utilisée pour les évaluations fonctionnelles⁹. Cette méthode est progressivement reconnue comme un outil fiable et sensible pour l’évaluation fonctionnelle¹⁰ sans les lacunes attribuées à l’ISF^11,12.

Dans ce protocole, nous décrivons une série d’analyses cinématiques qui utilisent un appareil de capture de mouvement 3D composé d’un tapis roulant, de quatre caméras couplées chargées de 120 Hz (CCD) et d’un logiciel de traitement des données (voir Tableau des matériaux). Cette méthode d’analyse cinématique diffère de la marche vidéo générale ou de l’analyse de la démarche^13,14. Deux caméras sont placées dans des directions différentes pour enregistrer les mouvements postérieurs des membres d’un seul côté. Par la suite, un modèle numérique 3D du membre postérieur est construit en utilisant l’infographie⁹. Nous pouvons calculer les angles articulaires désignés, tels que la hanche, le genou, la cheville et l’articulation des orteils, en récapitulant de près les dimensions réelles des membres. En outre, nous pouvons déterminer divers paramètres tels que la longueur de foulée/étape et le rapport de la phase de position à la phase de swing. Ces reconstructions sont basées sur un modèle numérique 3D entièrement reconstruit des membres postérieurs, généré à partir de données transmises par deux ensembles de caméras. Même la trajectoire imaginaire du centre de gravité (CoG) peut être calculée automatiquement.

Nous avons utilisé cet appareil de capture de mouvement 3D pour introduire et évaluer plusieurs paramètres cinématiques qui révèlent des changements fonctionnels au fil du temps dans le contexte du modèle de blessure d’écrasement de nerf sciatique de rat.

Protocole

Le protocole a été approuvé par le comité d’expérimentation animale de l’Université de Kyoto, et toutes les étapes du protocole ont été effectuées conformément aux Lignes directrices du Comité d’expérimentation animale de l’Université de Kyoto (numéro d’approbation : MedKyo17029).

1. Familiariser les rats avec la marche sur tapis roulant

1. Installez deux bâches en plastique transparentes des deux côtés du tapis roulant pour laisser un rat Lewis mâle de 12 semaines marcher dans une direction droite vers l’avant, puis allumer la grille de choc électrique.
2. Demandez à chaque rat de marcher sur le tapis roulant. Accélérer graduellement le tapis roulant à la vitesse désirée (20 cm/s ou 12 m/min) et laisser le rat marcher normalement à cette vitesse pendant 5 min. Après chaque séance de marche, offrez une pause repos d’une vingtaine de min. Répétez ce processus 3x par jour, 5 jours par semaine, pendant 1 semaine.
   REMARQUE : Commencez le tapis roulant en marchant 1 semaine avant l’étape 2.
3. Loger les rats en groupes de trois par cage avec un cycle clair-obscurité de 12 h et leur donner de la nourriture commerciale pour les rats et de l’eau du robinet ad libitum.

2. Exécution de la blessure d’écrasement de nerf sciatique

1. Placez le rat dans une chambre d’induction d’anesthésie et introduisez une solution d’inhalation d’isoflurane de 5 %.
2. Fournir une injection intrapéritonéale d’un anesthésique combiné préparé avec 0,15 mg/kg d’hydrochlorure de médetomidine, 2 mg/kg de midazolam et un tartrate de butorphanol de 2,5 mg/kg au rat. Vérifiez l’absence de réflexes de pédale. Ensuite, raser une zone de la gauche plus grand trochanter à la mi-cuisse avec un rasage électrique.
3. Étendre un morceau de tissu aseptique, placer le rat sur elle, et le faire se trouver dans la position latérale gauche. Placez également des instruments chirurgicaux stériles sur le tissu.
4. Créez une incision droite du plus grand trochanter au milieu de la cuisse avec une lame chirurgicale no 10. Effectuer ensuite une dissection émoussée entre quadriceps femoris et biceps femoris à l’aide d’un hemostat chirurgical pour exposer le nerf sciatique.
5. Détachez le nerf sciatique du tissu environnant avec deux paires de microforceps et écrasez le nerf sciatique pendant 10 s, à l’aide d’un hemostat chirurgical standard, pour créer une blessure d’écrasement de 2 mm de long sur le site directement en dessous de la tubéroité fessier.
6. Effectuer un point épinéraux en nylon 9-0 à l’extrémité proximale de la blessure à l’aide d’une paire de microforceps, puis fermer le muscle et la peau avec 4-0 sutures en nylon.
7. Fournir une injection intrapéritonéale d’un antagoniste anesthésique préparé avec 0,3 mg/kg d’hydrochlorure d’atipamézole au rat, pour le réveiller dans les 10 minutes. Après que le rat récupère de l’anesthésie, observez les mouvements de l’orteil gauche tandis que le rat est suspendu par la base de sa queue. Si l’orteil ne se propage pas du tout, la chirurgie a été réussie.
8. Loger les rats individuellement après la chirurgie avec un cycle de 12 h clair-obscurité et de les nourrir de nourriture commerciale pour les rats et l’eau du robinet ad libitum.

3. Fixation des marqueurs

1. Placez le rat formé dans une chambre d’induction d’anesthésie et introduisez une solution d’inhalation d’isoflurane de 5%. Vérifiez l’absence du réflexe de pédale en pinçant l’orteil.
2. Permettre au rat d’être anesthésié en permanence à l’aide d’un masque anesthésique (2% solution d’inhalation d’isoflurane). Tandis que le rat reçoit l’anesthésie stable, raser une zone du bas du dos au malléoli bilatéral utilisant un rase électrique.
   CAUTION: Pour éviter d’exposer les chercheurs à la fuite d’isoflurane, assurez-vous que le masque couvre étroitement la tête et le visage du rat.
   REMARQUE : Pour éviter les blessures au rat, raser les cheveux aussi doucement que possible.
3. Placer le rat en position couchée. Utilisez un stylo marqueur noir pour marquer les repères osseux suivants sur la peau rasée: Une ligne à travers les processus spinous de la lombaire aux vertèbres sacrées, les épines iliaques supérieures antérieures, les plus grands trochanters, les articulations du genou, les malleoli latéraux, le cinquième articulations métatarsés, et la pointe du quatrième orteil.
   REMARQUE : La ligne à travers les processus de pieux est employée pour déterminer si les marqueurs bilatéraux sont axially symétriques.
4. Utilisez un adhésif liquide pour attacher des marqueurs hémisphériques à ces repères osseux, à l’exception de la ligne à travers les processus spinous de la lombaire aux vertèbres sacrées, et la pointe du quatrième orteil. Utilisez des couleurs distinctes pour chaque autre point de repère pour éviter toute confusion. La pointe du quatrième orteil est marquée d’encre rose.
   CAUTION: Veillez à ne pas égoutter l’adhésif sur la peau exposée de l’opérateur.
5. Après avoir placé tous les marqueurs, remettre le rat dans la cage. Ne mettez pas le rat sur le tapis roulant jusqu’à ce qu’il récupère complètement de l’anesthésie.
   REMARQUE : Une diminution de la conscience peut sérieusement influencer la marche normale si le rat ne se remet pas complètement de l’anesthésie.

4. Calibration et configuration logicielle

1. Installez deux feuilles de plastique transparentes des deux côtés du tapis roulant et placez la boîte d’étalonnage au milieu du tapis roulant. Ouvrez le logiciel d’enregistrement, puis cliquez sur l’icône Image Calibration sur l’écran (Fichier supplémentaire 1).
2. Cliquez sur l’icône Enregistrement pour enregistrer 1/2 s de vidéo à partir de quatre directions à l’aide de 120 caméras Hz CCD. Cliquez à nouveau sur l’icône Enregistrement pour arrêter l’enregistrement.
   REMARQUE : La vidéo sera sauvegardée automatiquement une fois l’enregistrement arrêté.
3. Ouvrez le fichier vidéo dans le logiciel de calcul. Cliquez et faites glisser les points caractéristiques des modèles 3D de la boîte d’étalonnage dans le coin inférieur droit de l’écran vers les marqueurs correspondants sur les quatre images, qui sont automatiquement transformés à partir de la vidéo dans le modèle d’étalonnage (Fichier supplémentaire 2). Cliquez ensuite sur l’icône Enregistrer.
   REMARQUE : Ne modifiez pas les positions des caméras une fois l’étalonnage terminé.

5. Enregistrement de la marche

1. Sortez la boîte d’étalonnage du tapis roulant, allumez la grille de choc électrique et placez le rat complètement éveillé sur le tapis roulant. Ouvrez le logiciel d’enregistrement et saisiz les informations de base sur le rat, y compris son numéro de série, sa vitesse de marche et le nom de l’opérateur principal.
2. Allumez le tapis roulant et fixez la vitesse à 20 cm/s. Après que le rat s’adapte à la vitesse et est capable de marcher normalement, cliquez sur l’icône d’enregistrement sur l’écran pour enregistrer le rat de marche avec les quatre caméras. Une fois que suffisamment d’étapes sont enregistrées (à partir de 10), cliquez à nouveau sur l’icône pour arrêter l’enregistrement et éteignez le tapis roulant.
   REMARQUE : La vidéo sera sauvegardée automatiquement une fois l’enregistrement arrêté.
3. Remettre le rat dans la chambre d’induction de l’anesthésie pour l’anesthésie. Pendant que le rat est sous anesthésie continue (administré par le masque anesthésique), retirez les marqueurs hémisphériques.
   REMARQUE : Retirez les marqueurs aussi doucement que possible pour éviter de causer de la douleur au rat.
4. À l’heure indiquée (p. ex., 1 semaine, 3 semaines ou 6 semaines après la chirurgie), effectuez la mesure cinématique sur le rat en répétant les étapes 3.1-5.3. Faire la mesure cinématique qu’une seule fois, au début de l’expérience, pour les rats qui n’ont pas reçu la chirurgie (c.-à-d., le groupe témoin).

6. Traçage des marqueurs

1. Ouvrez le logiciel de calcul et ouvrez le fichier vidéo sur l’interface.
2. Cliquez et faites glisser la barre de contrôle bilatérale sur la barre de progression de la vidéo pour vous assurer que seul un enregistrement de marche en 10 étapes est affiché ( Dossiersupplémentaire 3). Cliquez et faites glisser chaque point caractéristique du modèle 3D sur le coin inférieur droit de l’écran au marqueur correspondant sur chacune des quatre photos initiales des vidéos qui ont été prises par les caméras ( Fichiersupplémentaire 4).
3. Cliquez sur l’icône de traçage automatique pour démarrer le processus de traçage automatique des marqueurs(Fichier supplémentaire 5, Fichier supplémentaire 6). Si le système ne trace pas avec précision un marqueur, cliquez sur l’icône De numérisation manuelle pour passer au mode de traçage manuel(Fichier supplémentaire 7), cliquez sur le point caractéristique de traçage dans le modèle 3D, puis sur le marqueur de réponse dans l’image.
4. Une fois le marqueur cliqué, assurez-vous que l’image passe à la trame suivante de la vidéo. Maintenant, cliquez continuellement sur le marqueur jusqu’à ce que le processus de traçage des marqueurs soit terminé. Une fois terminé, cliquez sur l’icône Enregistrer.

7. Analyse cinématique

1. Ouvrez le logiciel d’analyse, puis ouvrez le fichier vidéo traité sur l’interface.
2. Cliquez sur l’icône De réglage et sélectionnez et ajoutez des paramètres désignés tels que l’angle de la cheville, l’angle des orteils et le déplacement pelvien (axes X et Z) à la liste d’affichage dans la fenêtre contextuelle à droite ( Fichiersupplémentaire 8). Cliquez sur OK, de sorte que les courbes représentant les changements de valeur dans les paramètres apparaissent sur l’interface.
3. Cliquez sur l’icône Mesure et sélectionnez Traitement Lisse dans son menu de traction. Entrez 20 Hz dans la fenêtre pop-up pour supprimer les fréquences supérieures à 20 Hz dans les courbes (Fichier supplémentaire 9).
4. Assurez-vous qu’il y a cinq panneaux sur l’interface : la vidéo de marche du rat, le modèle 3D dynamique, les courbes qui représentent les changements de valeur dans les paramètres du cycle de 10 étapes, les courbes qui représentent les changements de valeur moyenne dans les paramètres, et les histogrammes et les diagrammes schématiques qui représentent le rapport de la position et de la phase de variation(Fichier supplémentaire 10).
5. Cliquez sur le panneau pour les courbes représentant les changements de valeur moyenne dans les paramètres et sélectionnez sortie de données dans le menu de traction(Fichier supplémentaire 11). Ceci produira les valeurs moyennes des angles communs postérieurs de membre, y compris les angles de cheville et d’orteil, le décalage pelvien, et tous les autres paramètres désirés dans les périodes de cycle de 10 étapes.

Résultats

Nous avons choisi quatre paramètres pour étudier les changements fonctionnels au fil du temps dans un modèle de blessure d’écrasement de nerf sciatique de rat. Il s’agissait du rapport entre la phase position-swing, le centre de gravité (CoG), les angles de cheville et les angles des orteils dans la phase 9 de la phase^9. Vingt-quatre rats ont été assignés au hasard à l’un des quatre groupes : le groupe témoin (C), les rats au premier (1w), au troisième (3w), et au sixième (6w) se...

Discussion

Dans ce protocole, un rat stable et marchant continuellement est la composante la plus vitale de l’analyse cinématique. La vitesse du tapis roulant a été fixée à 20 cm/s. Cette vitesse de marche n’est en aucun cas considérée comme "élevée" si les rats se déplacent sans contraintes d’espace¹⁶. Néanmoins, cette vitesse est trop rapide pour que les rats non formés marchent sur le tapis roulant et entraînerait probablement une démarche anormale et des mouvements non uniformes. Ces ...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
9-0 nylon suture	Bear Medic Corporation.	T06A09N20-25
Anesthetic Apparatus for Small Animals	SHINANO MFG CO.,LTD.	SN-487-0T
ISOFLURANE Inhalation Solution	Pfizer Japan Inc.	(01)14987114133400
Kine Analyzer	KISSEI COMTEC CO.,LTD.	N.A.	A analysis software
Liquid adhesive	KANBO PRAS CORPORATION	PT-B180
Micro forceps	BRC CO.	16171080
Motion Recorder	KISSEI COMTEC CO.,LTD.	N.A.	A recording software
Standard surgical hemostat	Fine Science Tools, Inc.	12501-13
Surgical blade No.10	FEATHER Safety Razor CO., LTD	100D
Surgical hemostat	World Precision Instruments	503740
Three-dimensional motion capture apparatus (KinemaTracer for Animal)	KISSEI COMTEC CO.,LTD.	N.A.	A 3D motion analysis system that consists of cameras
Three-dimensional(3D) Calculator	KISSEI COMTEC CO.,LTD.	N.A.	A marker tracing software
Treadmill	MUROMACHI KIKAI CO.,LTD	MK-685	a treadmill with affialiated the electrical schocker, transparent sheats and a speed control apparatus