Name: four-dimensional ct analysis using sequential 3d-3d registration
Uploaded: 2019-11-23T13:00:00
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Diese Studie wurde vom Institutional Review Board unserer Institution genehmigt (Zulassungsnummer: 20150128).

Alle hier beschriebenen Methoden wurden vom Institutional Review Board der Keio University School of Medicine genehmigt.
HINWEIS: Gelenkkinematik wird gemessen, indem die Bewegung eines sich bewegenden Knochens um einen festen Knochen rekonstruiert wird. Bei der Kniegelenkkinematik ist der Oberschenkelknochen definiert als der feste Knochen und die Tibia als der bewegliche Knochen.
1. CT-Bildgebungsprotokoll
<ol><li>Richten Sie die CT-Maschine ein. Erwerben Sie CT...

<ol>
	<li>Andriacchi, T. P., Alexander, E. J., Toney, M. K., Dyrby, C., Sum, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+point+cluster+method+for+in+vivo+motion+analysis:+applied+to+a+study+of+knee+kinematics.">A point cluster method for in vivo motion analysis: applied to a study of knee kinematics.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 120 (6), 743-749 (1998).</li><li>Corazza, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+markerless+motion+capture+system+to+study+musculoskeletal+biomechanics:+visual+hull+and+simulated+annealing+approach.">A markerless motion capture system to study musculoskeletal biomechanics: visual hull and simulated annealing approach.</a> Annals of Biomedical Engineering. 34 (6), 1019-1029 (2006).</li><li>Reinschmidt, C., van den Bogert, A. J., Nigg, B. M., Lundberg, A., Murphy, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+skin+movement+on+the+analysis+of+skeletal+knee+joint+motion+during+running.">Effect of skin movement on the analysis of skeletal knee joint motion during running.</a> Journal of Biomechanics. 30 (7), 729-732 (1997).</li><li>Burgess, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+a+simulated+scaphoid+malunion+on+wrist+motion.">The effect of a simulated scaphoid malunion on wrist motion.</a> Journal of Hand Surgery. 12 (5 Pt 1), 774-776 (1987).</li><li>Shoemaker, S. C., Markolf, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+joint+load+on+the+stiffness+and+laxity+of+ligament-deficient+knees.+An+in+vitro+study+of+the+anterior+cruciate+and+medial+collateral+ligaments.">Effects of joint load on the stiffness and laxity of ligament-deficient knees. An in vitro study of the anterior cruciate and medial collateral ligaments.</a> Journal of Bone and Joint Surgery (American Volume). 67 (1), 136-146 (1985).</li><li>Eckstein, F., Lohe, F., Muller-Gerbl, M., Steinlechner, M., Putz, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stress+distribution+in+the+trochlear+notch.+A+model+of+bicentric+load+transmission+through+joints.">Stress distribution in the trochlear notch. A model of bicentric load transmission through joints.</a> Journal of Bone and Joint Surgery (British Volume). 76 (4), 647-653 (1994).</li><li>Omid, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomechanical+analysis+of+latissimus+dorsi+tendon+transfer+with+and+without+superior+capsule+reconstruction+using+dermal+allograft.">Biomechanical analysis of latissimus dorsi tendon transfer with and without superior capsule reconstruction using dermal allograft.</a> Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 28 (8), 1523-1530 (2019).</li><li>Tsai, T. Y., Lu, T. W., Chen, C. M., Kuo, M. Y., Hsu, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+volumetric+model-based+2D+to+3D+registration+method+for+measuring+kinematics+of+natural+knees+with+single-plane+fluoroscopy.">A volumetric model-based 2D to 3D registration method for measuring kinematics of natural knees with single-plane fluoroscopy.</a> Medical Physics. 37 (3), 1273-1284 (2010).</li><li>Ohnishi, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+motion+study+of+femur,+tibia,+and+patella+at+the+knee+joint+from+bi-plane+fluoroscopy+and+CT+images.">Three-dimensional motion study of femur, tibia, and patella at the knee joint from bi-plane fluoroscopy and CT images.</a> Radiological Physics and Technology. 3 (2), 151-158 (2010).</li><li>Dobbe, J. G. G., de Roo, M. G. A., Visschers, J. C., Strackee, S. D., Streekstra, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+a+Quantitative+Method+for+Carpal+Motion+Analysis+Using+Clinical+3-D+and+4-D+CT+Protocols.">Evaluation of a Quantitative Method for Carpal Motion Analysis Using Clinical 3-D and 4-D CT Protocols.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 38 (4), 1048-1057 (2019).</li><li>Besl, P. J., McKay, N. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+method+for+registration+of+3-D+shapes.">A method for registration of 3-D shapes.</a> IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 14 (2), 239-256 (1992).</li><li>Wu, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ISB+recommendation+on+definitions+of+joint+coordinate+system+of+various+joints+for+the+reporting+of+human+joint+motion--part+I:+ankle,+hip,+and+spine.">ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints for the reporting of human joint motion--part I: ankle, hip, and spine.</a> Journal of Biomechanics. 35 (4), 543-548 (2002).</li><li>Wu, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ISB+recommendation+on+definitions+of+joint+coordinate+systems+of+various+joints+for+the+reporting+of+human+joint+motion--Part+II:+shoulder,+elbow,+wrist+and+hand.">ISB recommendation on definitions of joint coordinate systems of various joints for the reporting of human joint motion--Part II: shoulder, elbow, wrist and hand.</a> Journal of Biomechanics. 38 (5), 981-992 (2005).</li><li>Crawford, N. R., Yamaguchi, G. T., Dickman, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+technique+for+determining+3-D+joint+angles:+the+tilt/twist+method.">A new technique for determining 3-D joint angles: the tilt/twist method.</a> Clinical Biomechanics (Bristol, Avon). 14 (3), 153-165 (1999).</li><li>Sato, T., Koga, Y., Omori, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+lower+extremity+alignment+assessment+system:+application+to+evaluation+of+component+position+after+total+knee+arthroplasty.">Three-dimensional lower extremity alignment assessment system: application to evaluation of component position after total knee arthroplasty.</a> Journal of Arthroplasty. 19 (5), 620-628 (2004).</li><li>Ishii, Y., Terajima, K., Terashima, S., Koga, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+kinematics+of+the+human+knee+with+intracortical+pin+fixation.">Three-dimensional kinematics of the human knee with intracortical pin fixation.</a> Clinical Orthopaedics and Related Research. (343), 144-150 (1997).</li><li>Asano, T., Akagi, M., Tanaka, K., Tamura, J., Nakamura, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+three-dimensional+knee+kinematics+using+a+biplanar+image-matching+technique.">In vivo three-dimensional knee kinematics using a biplanar image-matching technique.</a> Clinical Orthopaedics and Related Research. (388), 157-166 (2001).</li><li>Saltybaeva, N., Jafari, M. E., Hupfer, M., Kalender, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimates+of+effective+dose+for+CT+scans+of+the+lower+extremities.">Estimates of effective dose for CT scans of the lower extremities.</a> Radiology. 273 (1), 153-159 (2014).</li><li>Mat Jais, I. S., Tay, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinematic+analysis+of+the+scaphoid+using+gated+four-dimensional+CT.">Kinematic analysis of the scaphoid using gated four-dimensional CT.</a> Clinical Radiology. 72 (9), e791-e799 (2017).</li><li>Tanaka, M. J., Elias, J. J., Williams, A. A., Demehri, S., Cosgarea, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+patellar+maltracking+using+dynamic+kinematic+CT+imaging+in+patients+with+patellar+instability.">Characterization of patellar maltracking using dynamic kinematic CT imaging in patients with patellar instability.</a> Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 24 (11), 3634-3641 (2016).</li><li>Troupis, J. M., Amis, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Four-dimensional+computed+tomography+and+trigger+lunate+syndrome.">Four-dimensional computed tomography and trigger lunate syndrome.</a> Journal of Computer Assisted Tomography. 37 (4), 639-643 (2013).</li><li>Kakar, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Role+of+Dynamic+(4D)+CT+in+the+Detection+of+Scapholunate+Ligament+Injury.">The Role of Dynamic (4D) CT in the Detection of Scapholunate Ligament Injury.</a> Journal of Wrist Surgery. 5 (4), 306-310 (2016).</li><li>Zhao, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+technique+for+quantifying+wrist+motion+using+four-dimensional+computed+tomography:+approach+and+validation.">A technique for quantifying wrist motion using four-dimensional computed tomography: approach and validation.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 137 (7), (2015).</li><li>Breighner, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relative+accuracy+of+spin-image-based+registration+of+partial+capitate+bones.">Relative accuracy of spin-image-based registration of partial capitate bones.</a> in 4DCT of the wrist. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging &amp; Visualization. 4 (6), 360-367 (2016).</li><li>Goto, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+pilot+study+evaluating+the+thumb+carpometacarpal+joint+during+circumduction.">In vivo pilot study evaluating the thumb carpometacarpal joint during circumduction.</a> Clinical Orthopaedics and Related Research. 472 (4), 1106-1113 (2014).</li><li>Zhang, X., Jian, L., Xu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+3D+point+cloud+registration+based+on+bidirectional+Maximum+Correntropy+Criterion.">Robust 3D point cloud registration based on bidirectional Maximum Correntropy Criterion.</a> PloS One. 13 (5), e0197542 (2018).</li><li>Baker, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ISB+recommendation+on+definition+of+joint+coordinate+systems+for+the+reporting+of+human+joint+motion-part+I:+ankle,+hip+and+spine.">ISB recommendation on definition of joint coordinate systems for the reporting of human joint motion-part I: ankle, hip and spine.</a> Journal of Biomechanics. 36 (2), 300-302 (2003).</li><li>Qiu, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+segmentation+of+the+mandible+from+computed+tomography+scans+for+3D+virtual+surgical+planning+using+the+convolutional+neural+network.">Automatic segmentation of the mandible from computed tomography scans for 3D virtual surgical planning using the convolutional neural network.</a> Physics in Medicine and Biology. , (2019).</li><li>Hemke, R., Buckless, C. G., Tsao, A., Wang, B., Torriani, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+learning+for+automated+segmentation+of+pelvic+muscles,+fat,+and+bone+from+CT+studies+for+body+composition+assessment.">Deep learning for automated segmentation of pelvic muscles, fat, and bone from CT studies for body composition assessment.</a> Skeletal Radiology. , (2019).</li><li>Lee, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+scanning+parameters+and+breathing+patterns+on+image+quality+and+accuracy+of+tumor+motion+reconstruction+in+4D+CBCT:+a+phantom+study.">Impact of scanning parameters and breathing patterns on image quality and accuracy of tumor motion reconstruction in 4D CBCT: a phantom study.</a> Journal of Applied Clinical Medical Physics. 16 (6), 195-212 (2015).</li></ol>

Unsere Methode ermöglicht die Visualisierung und Quantifizierung der Bewegungen ganzer Knochen und liefert numerische Positionsdaten des sich bewegenden Knochens in Bezug auf den festen Knochen aus 4DCT-Daten. Es wurden viele Werkzeuge zur Messung der Gelenkkinematik vorgeschlagen. Bewegungshautmarker können gesamtkörperbewegte Bewegungen über einen langen Zeit analysieren. Diese Methode enthält jedoch Hautbewegungsfehler3. Die Gelenkkinematik sollte aus der Bewegung benachbarter Knochen gesc...

Die Gelenkkinematik wurde mit einer Reihe von Methoden beschrieben, wie z. B. Bewegungserfassungssensoren, 2D-3D-Registrierung und kadaverische Studien. Jede Methode hat spezifische Vor- und Nachteile. Beispielsweise können Bewegungserfassungssensoren schnelle, großflächige Bewegungen mit Infrarotkameras mit oder ohne Sensoren zum Thema1,2messen. Diese Methoden messen jedoch die Hautbewegung, um Gelenkkinematik abzuleiten, und enthalten daher Hautbewegungsfehler3.
Kadaverische Studien wurden verwendet, um Bewegungsbereiche, Instabilität und Kontaktbereiche4,5,6zu bewerten. Dieser Ansatz kann kleine Veränderungen in kleinen Gelenken mit CT oder optischen Sensoren messen, die direkt am Knochen befestigt sind, indem Sie Stifte oder Schrauben verwenden. Kadaverische Modelle können hauptsächlich passive Bewegungen auswerten, obwohl mehrere Aktoren verwendet wurden, um externe Kräfte auf Sehnen anzuwenden, um dynamische Bewegung zu simulieren7. Aktive Gelenkbewegung kann mit 2D-3D-Registrierungstechniken gemessen werden, die 3DCT-Bilder mit 2D-Fluoroskopiebildern abgleichen. Obwohl die Genauigkeit des Registrierungsprozesses umstritten bleibt, ist die gemeldete Genauigkeit im Allgemeinen hoch genug für große Gelenkkinematik8,9. Diese Methode kann jedoch nicht auf kleine Knochen oder mehrere Knochen in engen Räumen angewendet werden.
Im Gegensatz dazu ist 4DCT eine dynamische CT-Methode, die eine Reihe volumetrischer Daten erhält. Aktive Gelenkbewegungen können mit diesem Ansatz analysiert werden10. Diese Technologie liefert präzise 3D-Positionsdaten aller Substanzen im CT-Portal. Die 3D-Gelenkbewegungen werden im Betrachter klar visualisiert. Die Beschreibung der Gelenkkinematik aus einer solchen Reihe von Volumendaten ist jedoch immer noch schwierig, da sich alle Knochen bewegen und während der aktiven Bewegungen in vivo keine Landmarken zurückverfolgt werden können.
Wir haben eine Methode zur 4DCT-Analyse entwickelt, die die In-vivo-Gelenkkinematik der gesamten Knochen um das Gelenk während aktiver Bewegungen liefert. Das Ziel dieses Artikels ist es, unsere Methode, die sequenzielle 3D-3D-Registrierungstechnik für die 4DCT-Analyse, vorzustellen und repräsentative Ergebnisse zu zeigen, die mit dieser Methode erzielt wurden.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>4DCT scanner</td>
			<td>Canon medical systems (Tochigi, Japan)</td>
			<td>N/A</td>
			<td>4DCT scan, Static 3DCT scan</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AVIZO(9.3.0)*</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific (OR, USA)</td>
			<td></td>
			<td>Image processing software. 
			Surface reconstruction from CT DICOM data and point cloud data. 
			* Ryan, T. M. &#38; 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).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Meshlab**</td>
			<td>ISTI (Pisa, Italy)</td>
			<td>N/A</td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VTK(6.3.0)***</td>
			<td>Kitware (New York, USA)</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Iterative Closest Points algorithm. Used in python language programming. 
			*** https://vtk.org</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Python(3.6.1)</td>
			<td>Python Software Foundation</td>
			<td>N/A</td>
			<td>DICOM file processing to extract the point cloud from the bone cortex (&#39;dicom.py&#39; module). 
			Calculation of the rotation matrices. (Numpy module) 
			Sequential image regestration using ICP algorithm</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

four-dimensional ct analysis using sequential 3d-3d registration

Die vierdimensionale Computertomographie (4DCT) liefert eine Reihe von Volumendaten und visualisiert Gelenkbewegungen. Die numerische Analyse von 4DCT-Daten bleibt jedoch schwierig, da die Segmentierung in allen volumetrischen Frames zeitaufwändig ist. Wir wollten die Gelenkkinematik mit einer sequenziellen 3D-3D-Registrierungstechnik analysieren, um die Kinematik des beweglichen Knochens in Bezug auf den festen Knochen halbautomatisch mit 4DCT DICOM-Daten und vorhandener Software bereitzustellen. Die Oberflächendaten der Quellknochen werden aus 3DCT rekonstruiert. Die getrimmten Oberflächendaten werden jeweils mit Oberflächendaten aus dem ersten Frame in 4DCT abgeglichen. Diese getrimmten Flächen werden sequenziell bis zum letzten Frame abgeglichen. Diese Prozesse liefern Positionsinformationen für Zielknochen in allen Frames des 4DCT. Sobald die Koordinatensysteme der Zielknochen festgelegt sind, können Übersetzungs- und Drehwinkel zwischen zwei beliebigen Knochen berechnet werden. Diese 4DCT-Analyse bietet Vorteile bei kinematischen Analysen komplexer Strukturen wie Karpal- oder Tarsalknochen. Schnelle oder großangelegte Bewegungen können jedoch aufgrund von Bewegungsartefakten nicht nachverfolgt werden.

Wir beschreiben die Bewegung der Tibia während der Knieverlängerung. Das Kniegelenk wurde im CT-Portal positioniert. Ein Dreieckskissen wurde verwendet, um den Oberschenkelknochen an der Startposition zu stützen. Das Knie wurde im Laufe von 10 s auf eine gerade Position verlängert. Zusätzlich zu 4DCT wurde statisches 3DCT des gesamten Oberschenkelknochens, der Tibia und der Patella durchgeführt. Die Oberflächendaten des gesamten Oberschenkelknochens und der Tibia wurden rekonstruie...

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Four-Dimensional CT Analysis Using Sequential 3D-3D Registration

Wir analysierten die Gelenkkinematik aus vierdimensionalen Computertomographiedaten. Die sequenzielle 3D-3D-Registrierungsmethode liefert halbautomatisch die Kinematik des sich bewegenden Knochens in Bezug auf den Subjektknochen aus vierdimensionalen Computertomographiedaten.

Vierdimensionale CT-Analyse mit sequenzieller 3D-3D-Registrierung

Four-dimensional computed tomography (4DCT) provides a series of volume data and visualizes joint motions. However, numerical analysis of 4DCT data ...

Eine Methode, um die Bewegung eines sich bewegenden Knochens in Bezug auf den festen Knochen aus 4D-CT-Daten zu rekonstruieren, was die Beschreibung der detaillierten Gelenkkinematik erleichtert. Sobald der weiche Knochen erstellt wurde und Ihre Referenzpunkte ausgewählt wurden, werden die meisten Rekonstruktionsprozesse automatisch abgeschlossen. Mit dem Zielgelenk des Subjekts im CT-Portal des 4D-CT-Bildes bitten Sie das Subjekt, das Gelenk während der 10-Sekunden-Scanzeit zu bewegen, während eine Reihe von Volumendaten erhalten.Laden Sie die CT DICOM-Daten für die halbautomatische Oberflächensegmentierung der 3D-CT-Daten in die entsprechende Software, und klicken Sie auf Neues Beschriftungsfeld bearbeiten, um das Beschriftungsfeld zu öffnen. Identifizieren Sie, welcher Schwellenwert für die CT-Dämpfungswert geeignet ist, um kortikale Knochen aus dem Quellknochen zu extrahieren, und wählen Sie Materialien mit CT-Dämpfungswerten oberhalb des Schwellenwerts aus. Überprüfen Sie die Beschriftung auf Die Knochenkortexauswahl, und verwenden Sie ein geeignetes Bearbeitungswerkzeug, um die Demarkation manuell zu ändern.Um die Oberflächendaten aus den beschrifteten Knochenkortexpositionsdaten zu generieren, klicken Sie auf Oberfläche generieren, und verwenden Sie den Schieberegler, um die Ausdehnung zu glätten. Klicken Sie dann auf Übernehmen. Um die Oberflächendaten im STL-Format zu speichern, klicken Sie auf Datei und Daten exportieren als, und wählen Sie STL-Binär-Little Endian aus.Um eine automatische Segmentierung der 4D CT-Volumendaten durchzuführen, verwenden Sie das DICOM-Lesemodul in der Programmiersoftware, um die geometrischen Daten, die die CT-Dämpfungswerte über dem Schwellenwert zeigen, aus allen 51 Frames der 4D-CT-Daten zu extrahieren. Verwenden Sie dann ein Batchverarbeitungsskript, um alle Oberflächendaten der Punktwolke mit höheren CT-Dämpfungswerten als dem Schwellenwert für alle 4D-CT-Frames in der Bildverarbeitungssoftware zu rekonstruieren. Um die Oberflächenregistrierung von statischen 3D-CT bis zum ersten Frame des 4D-CT durchzuführen, verwenden Sie die Auswahlphasenfunktion, um die Bones in einer statischen 3D-CT in Teilsegmentdaten zu trimmen, die in allen Frames der 4D-CT-Filmdaten enthalten sind.Die 4D-CT-Oberflächendaten sind nur Teilsegmente, die in jedes Volumenbild einbezogen werden, da die Oberflächenregistrierung erfordert, dass ein Oberflächendatenpunkt in einer anderen Oberfläche enthalten ist. Verwenden Sie die Funktion Punkte auswählen, um drei Markierungen in den festen und sich bewegenden Knochen auszuwählen, die leicht von der getrimmten 3D-CT-Oberfläche und den Oberflächendaten des ersten Rahmens von 4D CT in der 3D-Netzbearbeitungssoftware identifiziert werden können. Passen Sie dann die teilweise fixierten und sich bewegenden Knochen grob auf dem ersten Frame der 4D-CT-Oberflächendaten entsprechend den ausgewählten Landmarken an, und verwenden Sie den iterativen Engpunktalgorithmus, um die Oberflächenregistrierung in der Open-Source-Software durchzuführen.Um eine sequenzielle Oberflächenregistrierung durchzuführen, verwenden Sie das iterative Nahpunktmodul in der Open-Source-Software, um zunächst die Teilflächen des festen Knochens im ersten 4D-CT-Rahmen auf die Oberflächendaten des zweiten Frames abzugleichen. Rekonstruieren Sie dann die bewegliche Knochenbewegung in Bezug auf den fixierten Knochen. Wenn die Rotationsparameter gemessen wurden, definieren Sie die Koordinatensysteme der festen und sich bewegenden Knochen.Die Beispieldaten der Kniekinematik zeigen, dass der Varuswinkel der Tibia allmählich abnimmt, wenn die Tibia verlängert wird. Die tibiale Außenrotation nimmt am Ende der Verlängerung zu, was der Heimbewegung des Knies in früheren Berichten entspricht. Graphen des Fehlers für Übersetzung und Drehung zeigen, dass der Fehler für Oberschenkelknochenlängen von mehr als 9 % der gesamten Länge und Tibialängen von mehr als 7 % der gesamtlangen Länge tolerierbar ist, da die CT-Scheibendicke 0,5 Millimeter beträgt und die Fehlergröße überschreitet.Darüber hinaus zeigt die Berechnung der Patellarkinematik, dass die seitliche Neigung der Patella dem Knieflexionswinkel entspricht. Die Oberflächenrekonstruktion des Knochenkortex sollte visuell überprüft werden und kann eine manuelle Segmentierung erfordern. In letzter Zeit haben viele Studien über automatische Segmentierungen verwendet Mit diesen Techniken kann die Rekonstruktion automatisch durchgeführt werden.

Research

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Bioengineering

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Systematische Analyse von<em&gt; In-vitro-</em&gt; Zellroll Mit einer Multi-Well-Platte mikrofluidischen System

A major challenge for cell-based therapy is the inability to systemically target a large quantity of viable cells with high efficiency to tissues of ...

Characterization Of Multi-layered Fish Scales (Atractosteus spatula) Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

Characterization Of Multi-layered Fish Scales Atractosteus spatula Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

Charakterisierung von mehrschichtigen Fischschuppen (<em&gt; Atractosteus Spachtel</em&gt;) Verwendung Nanoindentierung, Röntgen-CT-, FTIR-und SEM

The hierarchical architecture of protective biological materials such as mineralized fish scales, gastropod shells, ram&#8217;s horn, antlers, and turtle ...

Microscale Vortex-assisted Electroporator for Sequential Molecular Delivery

Microscale Vortex-unterstützte Electroporator für Sequential Molekulare Liefer

Electroporation has received increasing attention in the past years, because it is a very powerful technique for physically introducing non-permeant ...

Fabricating Complex Culture Substrates Using Robotic Microcontact Printing (R-&#181;CP) and Sequential Nucleophilic Substitution

Fabricating Complex Culture Substrates Using Robotic Microcontact Printing R-Ãƒâ€šÃ‚ÂµCP and Sequential Nucleophilic Substitution

Herstellung von komplexen Kultursubstrate verwenden Robotic Mikrokontaktdrucken (R-mCP) und Sequential Nucleophile Substitution

In tissue engineering, it is desirable to exhibit spatial control of tissue morphology and cell fate in culture on the micron scale. Culture substrates ...

Automated Slide Scanning and Segmentation in Fluorescently-labeled Tissues Using a Widefield High-content Analysis System

Automatisierte Dia scannen und Segmentierung in Gewebekulturen beschriftet Gewebe mit einem Weitfeld High-Content Analysesystem

Automated slide scanning and segmentation of fluorescently-labeled tissues is the most efficient way to analyze whole slides or large tissue sections. ...