4-מימדי ניתוח CT באמצעות 3D סדרתית-3D הרישום

Summary

ניתחנו מידע משותף. מנתוני טומוגרפיה ממדית שיטת הרישום הרציפה תלת-ממדית למחצה מספקת את הקינמטיקה של העצם הנעה ביחס לעצם הנושא מנתוני טומוגרפיה ממוחשבת בארבעה מימדים.

Abstract

טומוגרפיה ממוחשבת בעלת ארבעה מימדים (4DCT) מספקת סדרה של נתוני נפח והצגת תנועות משותפות. עם זאת, אנליזה נומרית של נתונים 4DCT נשאר קשה כי פילוח בכל מסגרות נפחי הוא זמן רב. כיוונו לנתח משותף הקינמטיקה באמצעות שיטה רציפה 3D-3D הרישום כדי לספק את kinאמאם של העצם נע ביחס העצם קבוע למחצה באמצעות נתונים DICOM 4DCT ותוכנה קיימת. נתוני פני השטח של עצמות המקור. משוחזרים מ-3DCT נתוני פני השטח הגזוז מותאמים בהתאמה לנתוני פני השטח מהמסגרת הראשונה ב-4DCT. משטחים מגזומים אלה מותאמים באופן רציף עד למסגרת האחרונה. תהליכים אלה מספקים מידע מיקומי לעצמות היעד בכל המסגרות של 4DCT. לאחר מערכות הקואורדינטות של עצמות היעד הם החליטו, התרגום זוויות סיבוב בין כל שתי עצמות ניתן לחשב. ניתוח 4DCT זה מציע יתרונות בניתוח קימטי של מבנים מורכבים כגון עצמות שורש כף היד או טארסאל. עם זאת, תנועות מהיר או בקנה מידה גדול לא ניתן לאתר בגלל חפצי תנועה.

Introduction

משותף הקינמטיקה תוארה באמצעות מספר מתודולוגיות, כגון חיישני תנועה ללכוד, 2d-3d הרישום, ומחקרים מחזור. לכל שיטה יש יתרונות וחסרונות ספציפיים. לדוגמה, חיישני תנועה ללכוד יכול למדוד מהר, בקנה מידה גדול תנועות באמצעות מצלמות אינפרא אדום עם או בלי חיישנים בנושא^1,2. עם זאת, שיטות אלה למדוד תנועה העור כדי להסיק kinאמאם משותף, ולכן להכיל שגיאות תנועה בעור³.

מחקרים cadaveric שימשו כדי להעריך טווחים של תנועה, חוסר יציבות, והקשר אזורים^4,5,6. גישה זו יכולה למדוד שינויים קטנים במפרקים קטנים באמצעות CT או חיישנים אופטיים המחוברים ישירות לעצם באמצעות פינים או ברגים. מודלים cadaveric בעיקר להעריך תנועות פסיבי, למרות מספר מפעילים שימשו כדי להחיל כוחות חיצוניים הגידים כדי לדמות תנועה דינמית⁷. תנועה משותפת פעילה ניתן למדוד על ידי שיטות הרישום 2D-3D, התאמת תמונות 3DCT לתמונות 2D fluoroscopy. למרות שרמת הדיוק של תהליך ההרשמה נותרת במחלוקת, רמת הדיוק המדווחת גבוהה מספיק בדרך כלל לקינמטיקה משותפת גדולה^8,9. עם זאת, לא ניתן להחיל שיטה זו על עצמות קטנות או על עצמות מרובות בחללים צרים.

לעומת זאת, 4DCT היא שיטת CT דינמית המשיג סדרה של נתונים נפחי. ניתן לנתח תנועות משותפות פעילות באמצעות גישה זו¹⁰. טכנולוגיה זו מספקת נתונים מדויקים תלת-ממדיים של כל החומרים בתוך ה-CT gantry. התנועות המשותפת בתלת מימד מראות בבירור את הצופה. עם זאת, המתאר הקינמטיקה משותפת מסדרה כזו של נתוני נפח עדיין קשה, כי כל העצמות נעות ואין ציוני דרך ניתן לעקוב במהלך התנועות הפעילות ב vivo.

פיתחנו שיטה עבור ניתוח 4DCT המספק את vivo משותף משותפת של כל העצמות סביב המפרק במהלך תנועות פעיל. מטרת מאמר זה היא להציג את השיטה שלנו, את הטכניקה הרציפה 3D תלת-ממד הרישום עבור ניתוח 4DCT, ולהציג תוצאות הנציג המתקבל באמצעות שיטה זו.

Protocol

כל השיטות המתוארות כאן אושרו על ידי מועצת הסקירה המוסדית של בית הספר לרפואה של אוניברסיטת Keio.

הערה: מפרק הקינמטיקה נמדד על ידי שחזור התנועה של עצם נעה סביב עצם קבוע. עבור מפרק ברכיים, עצם הירך מוגדרת כעצם קבוע והשוקה מוגדרת כעצם הנעה.

1. פרוטוקול הדמיה CT

1. . הגדר את מכונת הסי. טי לרכוש בדיקות CT עם 320-גלאי שורה מערכת CT כדי לאפשר שלבים מרובים של נתוני נפח תלת-ממד עם כיסוי הגולגולת 160 מ"מ. לדוגמה, בניתוח של הברך הברכיים, רכישת התמונה מורכב 51 סריקות נפח עם זמן סיבוב של 0.275 s, וכל התמונות משוחזרים באמצעות שחזור חצי, כך הרזולוציה הטמפורלית היא כ 0.16 s.
2. השתמש בפרמטרי הסריקה הבאים: מתח שפופרת שיא = 100 kVp; זרם צינור = 40 mA; כיסוי סריקה = 160 מ"מ; מטריצה גודל = 512 x 512 פיקסלים; ועובי סעיף שחזור ומרווח מקטע = 0.5 מ"מ.
3. מניחים את מפרק היעד של הנושא בתוך ה-CT גנטרי במיקום ההתחלתי של המבחן 4dct (איור 1).
4. לפני הבחינה CT, תרגול תנועות של המפרק מהמיקום ההתחלה ועד הסוף בתוך זמן הבדיקה הנדרשת. בקש מהנושא להעביר את המפרק במהלך זמן הסריקה של 10.275 ולקבל סדרה של נתוני נפח. אחסן את נתוני אמצעי האחסון הרציפים בתבנית DICOM.
5. לבצע 3DCT סטטי של כל עצמות היעד ולאחסן את הנתונים בפורמט DICOM.

2. שחזור פני השטח

1. בצעו חצי אוטומטי פילוח של נתוני 3DCT (איור 2א).
   1. טעינת נתוני CT DICOM על-ידי בחירת כל קבצי DICOM של נתוני 3DCT סטטי.
   2. פתח את שדה התווית על-ידי לחיצה על ערוך שדה תווית חדש ובדוק איזה ערך הנחת CT של הסף מתאים לחילוץ עצם בקליפת הגולגולת מעצם המקור. בחרו חומרים עם ערכי הנחת CT מעל לסף. לדוגמה, סף קליפת העצם עבור נושא צעיר מוגדר כ- 250. בדוק את התווית עבור בחירת קליפת העצם ולשנות באופן ידני את התיחום באמצעות כלי עריכה לעקביות עם צורת העצם.
   3. צור את נתוני פני השטח (רשתות שינוי משולש) מתוך מיקום קליפת העצם המסומנת בתווית (ענן נקודות בתוכנה). אחסן את נתוני פני השטח על-ידי ייצוא נתונים בתבנית של השפה הרגילה (STL).
   4. לחץ על צור משטח | . למרוח על התווית של עצם הקליפת הגולגולת לחץ על קובץ | יצא נתונים כ | STL בינארי קטן Endian לשמור את נתוני פני השטח בפורמט STL.
2. ביצוע פילוח אוטומטי של נתוני עוצמת הקול של 4DCT (איור 2B).
   הערה: כל מסגרת של נתוני DICOM כוללת את התפלגות ערכי ה-CT הנחלש בבדיקת CT.
   1. הגדר את הסף של קליפת העצם כמו CT סטטי, ולחלץ נתונים גיאומטריים המראים ערכי הנחת CT מעל הסף מכל 51 מסגרות של נתונים 4DCT באמצעות מודול הקריאה DICOM בתוכנת התיכנות. התאימו את הסף בהתאם לצפיפות העצם של עצם המקור. לדוגמה, עבור עצם הosteoporotic, הגדר את הסף נמוך יותר.
   2. תרגם את כל הנתונים מיקומיים שהתקבלו כבר בשלב הקודם לתוך פורמט שניתן לפרש על ידי תוכנת עיבוד תמונה (למשל, Avizo). בתוכנה עיבוד תמונה, לשחזר את כל הנתונים פני השטח של ענן הנקודה עם ערכי הנחת CT גבוה יותר מסף עבור כל מסגרות 4DCT באמצעות קובץ script עיבוד אצווה. תוכנת עיבוד התמונה מכילה את הפונקציה לקרוא את ה-script ולייצא את נתוני פני השטח מנתוני סדרת DICOM באופן אוטומטי. סקריפט האצווה מוצג בקובץ הקידוד המשלים.

3. רישום תמונה

הערה: בשלב זה, לשחזר את התנועות של העצם נע ביחס עצם קבוע מן הנתונים הגולמיים 4DCT DICOM.

1. בצע רישום פני השטח מ 3DCT סטטי למסגרת הראשונה של 4DCT.
   1. לקצץ את העצמות 3DCT סטטי לתוך נתונים חלקיים הכלולים בכל המסגרות של 4DCT לשימוש עם הנקודה הקרובה איטראטיבית (הקאמרי הנייח) אלגוריתם¹¹ בתוכנת עריכת שינוי רשת תלת-ממד באמצעות בחירת הפונקציה Face (איור 3א) על ידי הפניית נתוני הסרט 4dct. נתוני פני השטח מ-4DCT הם רק מקטעים חלקיים הנכללים בכל דפוס של אמצעי אחסון, משום שרישום פני שטח מחייב שנקודת נתונים אחת של פני השטח תיכלל במשטח אחר.
   2. בחר שלושה ציוני דרך בעצמות קבוע ונעים כי ניתן לזהות בקלות מן המשטח 3DCT גזוז ואת הנתונים פני השטח של המסגרת הראשונה של 4DCT ב שינוי הצורה 3D התוכנה לעריכת באמצעות הפונקציה בדיקת נקודות (איור 3B).
   3. התאם את העצמות הקבועות והנעות בערך על המסגרת הראשונה של נתוני פני השטח של 4dct (איור 3ג) לפי ציוני הדרך ה3.1.2. לאחר מכן, בצע רישום משטח באמצעות האלגוריתם הקאמרי¹¹ באמצעות תוכנת קוד פתוח (לדוגמה, vtk).
      הערה: תהליך זה מספק שינוי הומוגנית מטריצות של העצמות קבוע ונעים מ 3DCT סטטי למסגרת הראשונה של 4DCT (איור 3ד). מטריצות אלה הן 4 x 4 מטריצות המורכב סיבוב ותרגום, כפי שמוצג באיור 4. ניתן לחשב גם את מטריצת השינוי הגורמת לפעולה הפוכה.
2. בצע רישום משטח רציף (איור 5).
   1. התאם את המשטחים החלקיים של העצם הקבועה והזזה במסגרת 4DCT הראשונה אל פני השטח של המסגרת השניה. לאחר מכן, התאם את המשטחים החלקיים של המסגרת הראשונה אל^{מסגרת ה} -i + 1 של 4DCT ברצף. חזור על תהליך זה עד למסגרת האחרונה של 4DCT על-ידי תכנות בשימוש במודול הקאמרי החופשי בתוכנת הקוד הפתוח.
3. חישוב מטריצות המרה מן 3DCT סטטי לכל המסגרות 4DCT על פי התוצאות של 3.1 ו 3.2.
4. בנייה מחודש נע תנועה העצם ביחס עצם קבוע (איור 6).
   1. לשחזר את הקינמטיקה של העצם נע ביחס עצם קבוע מן המטריצות המייצגים את הטרנספורמציה של 3DCT סטטי לכל מסגרת 4DCT. הגדירו את מערכות הקואורדינטות של העצמות הקבועות והזזות כאשר פרמטרי הסיבוב נמדדים (לדוגמה, בגמישות זווית או זווית סיבוב שחושבו על-ידי זווית אוילר/cardan)^12,13,14.

תוצאות

אנו מתארים את התנועה של השוקה במהלך הארכת הברך. מפרק הברך הוצב בתוך ה-CT. כרית משולש שימש לתמיכה בעצם הירך בתנוחת ההתחלה. הברך הורחבה למצב ישר במהלך 10 ס מ. חשיפה לקרינה נמדדה. בנוסף 4dct, 3dct סטטי של עצם הירך, שוקה, ו צלחית בוצעה. נתוני המשטח של עצם הירך. והשוקה שוחזרו הסף של מספרי ...

Discussion

השיטה שלנו מאפשרת הדמיה וכימות של תנועות של עצמות שלמות ומספק נתונים מספרית של העצם נע ביחס העצם קבוע מנתונים 4DCT. כלים רבים הוצעו עבור מדידת הקינמטיקה משותפת. העור סמנים בתנועה יכול לנתח תנועות הגוף הכולל על פני זמן רב. עם זאת, שיטה זו מכילה שגיאות בתנועת העור³. יש להעריך את הקי?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
4DCT scanner	Canon medical systems (Tochigi, Japan)	N/A	4DCT scan, Static 3DCT scan
AVIZO(9.3.0)*	Thermo Fisher Scientific (OR, USA)		Image processing software. Surface reconstruction from CT DICOM data and point cloud data. * Ryan, T. M. & Walker, A. Trabecular bone structure in the humeral and femoral heads of anthropoid primates. Anat Rec (Hoboken). 293 (4), 719-729, doi:10.1002/ar.21139, (2010).
Meshlab**	ISTI (Pisa, Italy)	N/A	Surface trimming and landmark picking ** MeshLab: an Open-Source Mesh Processing Tool. Sixth Eurographics Italian Chapter Conference, page 129-136, 2008. P. Cignoni, M. Callieri, M. Corsini, M. Dellepiane, F. Ganovelli, G. Ranzuglia
VTK(6.3.0)***	Kitware (New York, USA)	N/A	Iterative Closest Points algorithm. Used in python language programming. *** https://vtk.org
Python(3.6.1)	Python Software Foundation	N/A	DICOM file processing to extract the point cloud from the bone cortex ('dicom.py' module). Calculation of the rotation matrices. (Numpy module) Sequential image regestration using ICP algorithm