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Questo protocollo implementa un sistema di telecamere stereoscopiche calibrate utilizzando la trasformazione lineare diretta per catturare gli spostamenti tridimensionali in situ dei nervi periferici allungati. Catturando questi spostamenti, è possibile determinare la deformazione indotta a vari gradi di allungamento, informando le soglie di lesione da stiramento che possono far progredire la scienza della riparazione nervosa dipendente dallo stiramento.
I nervi periferici subiscono uno stiramento fisiologico e non fisiologico durante lo sviluppo, il normale movimento articolare, lesioni e, più recentemente, durante la riparazione chirurgica. Comprendere la risposta biomeccanica dei nervi periferici all'allungamento è fondamentale per comprendere la loro risposta alle diverse condizioni di carico e, quindi, per ottimizzare le strategie di trattamento e gli interventi chirurgici. Questo protocollo descrive in dettaglio il processo di calibrazione del sistema di telecamere stereo-imaging tramite trasformazione lineare diretta e il tracciamento dello spostamento tissutale tridimensionale in situ dei nervi periferici durante l'allungamento, ottenuto dalle coordinate tridimensionali dei file video catturati dal sistema di telecamere stereo-imaging calibrato.
Dalle coordinate tridimensionali ottenute, la lunghezza del nervo, la variazione della lunghezza del nervo e la percentuale di deformazione rispetto al tempo possono essere calcolate per un nervo periferico allungato. L'utilizzo di un sistema di telecamere stereoscopiche fornisce un metodo non invasivo per catturare gli spostamenti tridimensionali dei nervi periferici quando vengono allungati. La trasformazione lineare diretta consente ricostruzioni tridimensionali della lunghezza del nervo periferico durante l'allungamento per misurare la deformazione. Attualmente, non esiste alcuna metodologia per studiare la deformazione in situ dei nervi periferici allungati utilizzando un sistema di telecamere stereo-imaging calibrato tramite trasformazione lineare diretta. Catturare la deformazione in situ dei nervi periferici quando allungati può non solo aiutare i medici a comprendere i meccanismi di lesione alla base del danno nervoso quando sono eccessivamente allungati, ma anche aiutare a ottimizzare le strategie di trattamento che si basano su interventi indotti dallo stiramento. La metodologia descritta nel documento ha il potenziale per migliorare la nostra comprensione della biomeccanica dei nervi periferici in risposta allo stretching per migliorare i risultati dei pazienti nel campo della gestione e della riabilitazione delle lesioni nervose.
I nervi periferici (PN) subiscono un allungamento durante lo sviluppo, la crescita, il normale movimento articolare, le lesioni e la chirurgia1. I PN mostrano proprietà viscoelastiche per proteggere il nervo durante i movimenti regolari 2,3 e mantenere la salute strutturale delle sue fibre nervose2. Poiché è stato dimostrato che la risposta PN all'allungamento meccanico dipende dal tipo di danno alle fibre nervose4, dalle lesioni ai tessuti connettivi adiacenti 2,4 e dagli approcci di test (ad esempio, velocità di carico o direzione)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, è essenziale distinguere le risposte biomeccaniche dei PN durante il normale range di movimento rispetto al range non fisiologico sia a velocità di allungamento lento che rapido. Ciò può favorire la comprensione del meccanismo di lesione PN in risposta allo stiramento e aiutare in un intervento tempestivo e ottimizzato 1,4,15,16. C'è stata una tendenza crescente nella terapia fisica a valutare e intervenire in base alla relazione tra fisiologia nervosa e biomeccanica17. Comprendendo le differenze nella biomeccanica della PN a vari carichi applicati, i fisioterapisti possono essere meglio preparati a modificare gli interventi attuali17.
I dati biomeccanici disponibili sui PN in risposta all'allungamento rimangono variabili e possono essere attribuiti alle apparecchiature e alle procedure di prova e alle differenze nell'analisi dei dati di allungamento 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16. Inoltre, la misurazione dello spostamento nervoso in situ tridimensionale (3D) rimane scarsamente descritta nella letteratura attualmente disponibile. Studi precedenti hanno utilizzato tecniche di stereo-imaging per massimizzare l'accuratezza della ricostruzione 3D dello spostamento tissutale delle capsule delle faccette articolari18,19. La tecnica della trasformazione lineare diretta (DLT) consente la conversione di due o più viste bidimensionali (2D) in coordinate 3D del mondo reale (ad esempio, in mm)20,21,22. La DLT fornisce un metodo di calibrazione ad alta precisione per i sistemi di telecamere stereo-imaging perché consente una ricostruzione precisa delle posizioni 3D, tenendo conto della distorsione dell'obiettivo, dei parametri della telecamera e delle coordinate dell'immagine e consente flessibilità nella configurazione della telecamera stereo-imaging 20,21,22. Gli studi che utilizzano sistemi di telecamere stereoscopiche calibrate DLT sono tipicamente utilizzati per studiare l'analisi della locomozione e dell'andatura22,23. Questo protocollo mira a offrire una metodologia dettagliata per determinare la deformazione in situ di PN a vari gradi di allungamento utilizzando un sistema di telecamere stereo-imaging calibrato DLT e un software di tracciamento open-source22.
Tutte le procedure descritte sono state approvate dal Comitato Istituzionale per la Cura e l'Uso degli Animali (IACUC) della Drexel University. Il suinetto neonatale è stato acquistato da un'azienda agricola approvata dal Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti (USDA) situata in Pennsylvania, USA.
1. Configurazione del sistema di imaging stereo
Figura 1: Sistema di telecamere per immagini stereoscopiche. (A) Sistema di telecamere per immagini stereo parallele con due telecamere (sinistra e destra) separate da una linea di base di 63 mm. (B) Schema del sistema di telecamere per immagini stereo e configurazione del supporto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
2. Sistema di imaging stereo: calibrazione DLT: digitalizzazione del volume di controllo 3D
Figura 2: Controllo tridimensionale del volume e digitalizzatore con pedale. (A) Schema del volume di controllo 3D. (B) Componenti del digitalizzatore con pedale utilizzati per digitalizzare il volume di controllo 3D per ottenere coordinate (x, y, z) in mm. Abbreviazione: 3D = tridimensionale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Calibrazione-generazione di coefficienti di trasformazione lineare diretta di sistemi di telecamere stereoscopiche
Figura 3: Schema per l'acquisizione di un'immagine del volume di controllo tridimensionale utilizzando un sistema di telecamere stereoscopiche per la calibrazione diretta della trasformazione lineare. (A) Collegare il sistema di telecamere stereoscopiche a un supporto e quindi collegarlo a un laptop tramite un cavo USB di tipo C. Posizionare il volume di controllo 3D 6 cm sotto il sistema di telecamere stereo. (B) Utilizzando il software di imaging, scattare un'immagine del volume di controllo 3D. L'immagine di output è un'immagine combinata delle fotocamere sinistra e destra. (C) Utilizzando un codice MATLAB personalizzato, l'immagine di output combinata viene separata in singole immagini sinistra e destra del volume di controllo 3D. Abbreviazione: 3D = tridimensionale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Schema per la generazione di coefficienti di trasformazione lineare diretta per le viste della telecamera sinistra e destra di un sistema di imaging con telecamera stereoscopica. (A) Eseguire DLTcal5.m22, fare clic su inizializza nella finestra dei controlli e selezionare il file *.csv con le coordinate digitalizzate (x, y, z) (in mm) del volume di controllo 3D. (B) Selezionare l'immagine di calibrazione della vista della telecamera sinistra. Quindi, seleziona i punti sull'immagine nello stesso ordine in cui sono stati digitalizzati. Quindi, fare clic su Calcola coefficienti per generare i coefficienti DLT per la vista della telecamera sinistra. Quindi, fai clic su Aggiungi telecamera per ripetere i passaggi per la vista corretta della telecamera. (C) Selezionare l'immagine di calibrazione della vista della telecamera corretta. Quindi, seleziona i punti sull'immagine nello stesso ordine in cui sono stati digitalizzati. Quindi, fare clic su Calcola coefficienti per generare i coefficienti DLT per la vista corretta della telecamera. (D) Fare clic su Salva dati per selezionare la directory in cui salvare i coefficienti DLT per le viste della telecamera sinistra e destra. Immettere il nome del file di output e fare clic su OK per salvare i coefficienti DLT come file *.csv. Abbreviazione: 3D = tridimensionale e DLT = trasformazione lineare diretta. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
4. Acquisizione dati
Figura 5: Schema rappresentativo per l'acquisizione dei dati dell'allungamento dei nervi periferici. (A) Collegare il sistema di telecamere stereoscopiche a un supporto e quindi collegarlo a un laptop tramite un cavo USB di tipo C. Posizionare il sistema di telecamere stereoscopiche fino a 6 cm sopra il nervo periferico. (B) Il nervo periferico è fissato alla configurazione meccanica all'estremità distale. Utilizzando un pennarello cutaneo a base di inchiostro, posizionare un pennarello sui siti di inserimento e di serraggio e altri due o quattro marcatori lungo la lunghezza del nervo. La soluzione salina viene spruzzata sul nervo periferico per mantenerlo idratato prima, durante e dopo il test. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
5. Analisi dei dati-tracciamento della traiettoria dei marcatori
Figura 6: Schema per impostare un nuovo progetto per iniziare il tracciamento della traiettoria tridimensionale. (A) Eseguire DLTdv7.m22 e fare clic su Nuovo progetto per iniziare un nuovo progetto. (B) Selezionare 2 come numero di file video. (C) Selezionare il file Video 1 (ad esempio, la vista della telecamera a sinistra), quindi selezionare il file Video 2 (ad esempio, la vista della telecamera a destra). (D) Selezionare sì in quanto i file video provengono da un sistema di telecamere stereoscopiche calibrate DLT. Quindi, selezionare il file *.csv contenente i coefficienti DLT. (E) I file video selezionati sono ora pronti per il tracciamento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Chiave/clic | Descrizione |
Fare clic con il pulsante sinistro del mouse | Tracce traiettoria di un punto nel fotogramma cliccato |
(+) Chiave | Ingrandisce il fotogramma video corrente nel puntatore del movimento |
(-) Chiave | Ingrandisce il fotogramma video corrente rispetto al puntatore mosue |
(i) Chiave | Sposta il punto verso l'alto |
(j) Chiave | Sposta il punto a sinistra |
(k) Chiave | Sposta il punto a destra |
(m) Chiave | Sposta il punto verso il basso |
Tabella 1: Scorciatoie da tastiera e mouse per tracciare la traiettoria del punto.
Figura 7: Schema per posizionare i punti iniziali sui marcatori di tessuto per il Video 1 e il Video 2 utilizzando DLTdv7.m22. (A) Impostare il punto corrente su 1. Posiziona il punto 1 sull'indicatore di inserimento in Video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posizionare il punto 1 sull'indicatore di inserimento. (B) Impostare il punto di corrente su 2. Posiziona il punto 2 sul marcatore 1 nel video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posiziona il punto 2 sul marcatore 1. (C) Impostare il punto di corrente su 3. Posiziona il punto 3 sul marcatore 2 nel video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posizionare il punto 3 sul marcatore 2. (D) Impostare il punto di corrente su 4. Posiziona il punto 4 sul marcatore 3 nel video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posizionare il punto 4 sul marcatore 3. (E) Impostare il punto di corrente su 5. Posiziona il punto 5 sul marcatore 4 nel video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posizionare il punto 5 sul marcatore 4. (F) Impostare il punto di corrente su 6. Posizionare il punto 6 sul marcatore di bloccaggio nel Video 1. Utilizzando la linea epipolare blu nel Video 2, posizionare il punto 6 sul clamp marcatore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: Schema per il tracciamento delle traiettorie dei punti marker del Video 1 utilizzando DLTdv7.m22. (A) Impostare il numero di fotogramma su 1, il punto corrente su 1, la modalità di tracciamento automatico sull'avanzamento automatico e il predittore di tracciamento automatico su Kalman esteso. (B) Impostare il punto di corrente su 1. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento dell'indicatore di inserimento (cioè il punto 1) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (C) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 2. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore 1 (ovvero il punto 2) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (D) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 3. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore 2 (cioè il punto 3) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (E) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 4. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore 3 (cioè il punto 4) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (F) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 5. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore 4 (cioè il punto 5) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (G) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 6. Nel file Video 1 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore di bloccaggio (cioè il punto 6) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: Schema per l'inseguimento delle traiettorie dei punti marker del Video 2 utilizzando DLTdv7.m22. (A) Impostare il numero di fotogramma su 1, il punto corrente su 1, la modalità autotrack su auto-advance e autotrack predictor su esteso Kalman. (B) Impostare il punto di corrente su 1. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , inizia a tracciare lo spostamento dell'indicatore di inserimento (cioè il punto 1) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (C) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 2. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , inizia a tracciare lo spostamento del marcatore 1 (cioè il punto 2) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (D) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 3. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , inizia a tracciare lo spostamento del marcatore 2 (cioè il punto 3) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (E) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 4. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , iniziate a tracciare lo spostamento del marcatore 3 (cioè il punto 4) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (F) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 5. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , inizia a tracciare lo spostamento del marcatore 4 (cioè il punto 5) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. (G) Impostare il numero di fotogramma su 1 e il punto corrente su 6. Utilizzando la linea epipolare blu sul file Video 2 , inizia a tracciare lo spostamento del marcatore di bloccaggio (cioè il punto 6) facendo clic con il pulsante sinistro del mouse fotogramma per fotogramma fino all'ultimo fotogramma. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
6. Analisi dei dati-analisi della deformazione
Utilizzando la metodologia descritta, si ottengono vari file di output. Il DLTdv7.m *_xyzpts.csv (File supplementare 12) contiene le coordinate (x, y, z) in millimetri di ciascun punto tracciato in ogni intervallo di tempo che viene ulteriormente utilizzato per calcolare la lunghezza, la variazione di lunghezza e la deformazione del PN allungato. I grafici rappresentativi della lunghezza-tempo, della variazione della lunghezza-tempo e del tempo di deformazione di un PN allungato sono mostrati nella
Gli studi che riportano le proprietà biomeccaniche dei nervi periferici (PN) a causa di lesioni da stiramento variano e tale variazione può essere attribuita a metodologie di test come apparecchiature di prova e analisi dell'allungamento 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,24
Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.
Questa ricerca è stata supportata da finanziamenti dell'Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development del National Institutes of Health con il numero di premio R15HD093024 e R01HD104910A e del premio NSF CAREER numero 1752513.
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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