Análisis de movimiento de rayos X es una técnica utilizada para seguir el movimiento de objetos usando rayos X . Esto se hace colocando el sujeto a fotografiar en el centro del haz de rayos X y grabando el movimiento usando un intensificador de imagen y una cámara de alta velocidad , lo que permite obtener videos de alta calidad muestreados muchas veces por segundo. Dependiendo de la configuración de los rayos X, esta técnica puede visualizar estructuras específicas en un objeto, como huesos o cartílagos . El análisis de movimiento por rayos X se puede utilizar para realizar análisis de la marcha , analizar el movimiento de las articulaciones o registrar el movimiento de los huesos oscurecidos por el tejido blando. La capacidad de medir los movimientos del esqueleto es un aspecto clave para la comprensión de la biomecánica , la energía y el control motor de los vertebrados . [1]
Métodos de obtención de imágenes
Planar
Muchos estudios de rayos X se realizan con un solo emisor de rayos X y una cámara. Este tipo de imágenes permite rastrear movimientos en el plano bidimensional de los rayos X. Los movimientos se realizan en paralelo al plano de imagen de la cámara para que el movimiento se pueda seguir con precisión. [2] En el análisis de la marcha , los estudios de rayos X planos se realizan en el plano sagital para permitir un seguimiento muy preciso de los grandes movimientos. [3] Se han desarrollado métodos para permitir estimar los seis grados de libertad de movimiento a partir de una radiografía plana y un modelo del objeto rastreado. [4] [5]
Biplanar
Pocos movimientos son verdaderamente planos; [2] Las imágenes de rayos X planas pueden capturar la mayor parte del movimiento, pero no todo. La captura y cuantificación precisa de las tres dimensiones del movimiento requiere un sistema de imágenes biplanar. [2] Las imágenes biplanares son difíciles de realizar porque muchas instalaciones tienen acceso a un solo emisor de rayos X. [1] Con la adición de un segundo sistema de rayos X y cámara, el plano de imágenes 2-D se expande a un volumen de imágenes 3-D en la intersección de los haces de rayos X. Debido a que el volumen de la imagen se encuentra en la intersección de dos haces de rayos X, su tamaño total está limitado por el área de los emisores de rayos X.
Técnicas de seguimiento
Comercializado
Las técnicas de captura de movimiento suelen utilizar marcadores reflectantes para la captura de imágenes. En las imágenes de rayos X, se utilizan marcadores que aparecen opacos en las imágenes de rayos X. [2] Esto implica con frecuencia el uso de esferas radiopacas unidas al sujeto. Se pueden implantar marcadores en los huesos del sujeto, que luego aparecerían visibles en las imágenes de rayos X. [6] Este método requiere procedimientos quirúrgicos para la implantación y un período de curación antes de que el sujeto pueda someterse a un análisis de movimiento. Para un seguimiento tridimensional preciso, es necesario implantar al menos tres marcadores en cada hueso para realizar el seguimiento. [7] También se pueden colocar marcadores en la piel del sujeto para seguir el movimiento de los huesos subyacentes, aunque los marcadores colocados en la piel son sensibles a los artefactos de movimiento de la piel. Estos son errores en la medición de la ubicación de un marcador colocado en la piel en comparación con un marcador implantado en hueso. Esto ocurre en lugares donde los tejidos blandos se mueven más libremente que la piel superpuesta. [2] [4] [6] [8] Luego, los marcadores se rastrean en relación con la (s) cámara (s) de rayos X y los movimientos se asignan a los cuerpos anatómicos locales.
Sin marcador
Las técnicas y el software emergentes permiten rastrear el movimiento sin la necesidad de marcadores radiopacos. Al utilizar un modelo 3-D del objeto que se está rastreando, el objeto se puede superponer en las imágenes del video de rayos X en cada cuadro. [7] Las traslaciones y rotaciones del modelo, a diferencia de un conjunto de marcadores, se rastrean en relación con la (s) cámara (s) de rayos X. [7] Usando un sistema de coordenadas local, estas traslaciones y rotaciones se pueden asignar a movimientos anatómicos estándar. El modelo tridimensional del objeto se genera a partir de cualquier técnica de imagen tridimensional, como una resonancia magnética o una tomografía computarizada. El rastreo sin marcadores tiene la ventaja de ser un método de rastreo no invasivo, evitando complicaciones debidas a cirugías. Una dificultad proviene de generar el modelo 3-D en estudios con animales, ya que los animales deben ser sedados o sacrificados para la exploración.
Análisis
En la obtención de imágenes de rayos X planares, los movimientos de los marcadores o cuerpos se rastrean en un software especializado. El usuario proporciona una estimación de ubicación inicial para los marcadores o cuerpos. El software, dependiendo de sus capacidades, requiere que el usuario ubique manualmente los marcadores o cuerpos para cada fotograma del video, o puede rastrear automáticamente las ubicaciones a lo largo del video. El seguimiento automático debe controlarse para garantizar su precisión y puede requerir la reubicación manual de los marcadores o los cuerpos. Una vez que se generan los datos de seguimiento para cada marcador o cuerpo de interés, el seguimiento se aplica a los cuerpos anatómicos locales. Por ejemplo, los marcadores colocados en la cadera y la rodilla seguirían el movimiento del fémur. Utilizando el conocimiento de la anatomía local, estos movimientos se pueden traducir en términos anatómicos de movimiento en el plano de la radiografía. [2]
En las imágenes de rayos X biplanares, los movimientos también se rastrean en un software especializado. Similar al análisis plano, el usuario proporciona una suposición de ubicación inicial y rastrea los marcadores o cuerpos manualmente o el software puede rastrearlos automáticamente. Sin embargo, el análisis biplanar requiere que todo el seguimiento se realice en ambos fotogramas de video al mismo tiempo, colocando el objeto en el espacio libre. Ambas cámaras de rayos X deben calibrarse utilizando un objeto de volumen conocido. Esto permite que el software ubique las posiciones de las cámaras entre sí y luego permite al usuario colocar el modelo 3D del objeto en línea con ambos cuadros de video. Los datos de seguimiento se generan para cada marcador o cuerpo y luego se aplican a los cuerpos anatómicos locales. Los datos de seguimiento se definen posteriormente como términos anatómicos de movimiento en el espacio libre. [7]
Aplicaciones
El análisis de movimiento de rayos X se puede utilizar en el análisis de la marcha humana para medir la cinemática de las extremidades inferiores. La marcha en cinta rodante o la marcha sobre el suelo [9] se pueden medir dependiendo de la movilidad del sistema de rayos X. También se han registrado otros tipos de movimientos, como una maniobra de salto-corte [10] . Al combinar el análisis de movimiento de rayos X con plataformas de fuerza , se puede realizar un análisis de torsión articular . [10] [11] La rehabilitación es una aplicación importante del análisis de movimiento por rayos X. La formación de imágenes de rayos X se ha utilizado con fines de diagnóstico médico desde poco después de su descubrimiento en 1895. [12] El análisis de movimiento de rayos X se puede utilizar en la formación de imágenes de articulaciones o en el análisis de enfermedades relacionadas con las articulaciones. Se ha utilizado para cuantificar la osteoartritis en la rodilla, [13] estimar las áreas de contacto del cartílago de la rodilla , [14] y analizar los resultados de la reparación del manguito rotador mediante imágenes de la articulación del hombro , [15] entre otras aplicaciones.
La locomoción animal también se puede analizar con imágenes de rayos X. Siempre que el animal pueda colocarse entre el emisor de rayos X y la cámara, se pueden tomar imágenes del sujeto. Ejemplos de andares que se han estudiado son ratas, [8] [16] gallinas de Guinea, [17] caballos, [6] aves bípedas, [18] y ranas, [11] entre otras. Además de la locomoción, el análisis de movimiento por rayos X se ha utilizado en el estudio y la investigación de otros análisis de morfología en movimiento, como la masticación del cerdo [2] y el movimiento de la articulación temporomandibular en conejos. [19]
Ver también
- Análisis de movimiento de video
- Análisis estereofotogramétrico de Roentgen
- Radiografía
- Fluoroscopia
Referencias
- ↑ a b Gatesy, Stephen M .; Baier, David B .; Jenkins, Farish A .; Dial, Kenneth P. (1 de junio de 2010). "Rotoscopia científica: un método basado en la morfología de visualización y análisis de movimiento 3-D". Journal of Experimental Zoology Parte A . 313 (5): 244–261. doi : 10.1002 / jez.588 . ISSN 1932-5231 . PMID 20084664 .
- ^ a b c d e f g Brainerd, Elizabeth L .; Baier, David B .; Gatesy, Stephen M .; Hedrick, Tyson L .; Metzger, Keith A .; Gilbert, Susannah L .; Crisco, Joseph J. (1 de junio de 2010). "Reconstrucción de rayos X de morfología en movimiento (XROMM): precisión, exactitud y aplicaciones en la investigación de biomecánica comparada". Journal of Experimental Zoology Parte A . 313 (5): 262-279. doi : 10.1002 / jez.589 . ISSN 1932-5231 . PMID 20095029 .
- ^ Tú, BM; Siy, P .; Anderst, W .; Tashman, S. (1 de junio de 2001). "Medición in vivo de la cinemática esquelética 3-D a partir de secuencias de radiografías biplano: aplicación a la cinemática de la rodilla". Transacciones IEEE sobre imágenes médicas . 20 (6): 514-525. CiteSeerX 10.1.1.160.4765 . doi : 10.1109 / 42.929617 . ISSN 0278-0062 . PMID 11437111 . S2CID 9029951 .
- ^ a b Banks, SA; Hodge, WA (1 de junio de 1996). "Medición precisa de la cinemática tridimensional de la artroplastia de rodilla mediante fluoroscopia de plano único". Transacciones IEEE sobre ingeniería biomédica . 43 (6): 638–649. doi : 10.1109 / 10.495283 . ISSN 0018-9294 . PMID 8987268 . S2CID 21845830 .
- ^ Con franqueza, Benjamin J .; Rahman, Haseeb A .; Banks, Scott A. (27 de enero de 2005). "Precisión teórica de la coincidencia de formas basada en modelos para medir la cinemática natural de la rodilla con fluoroscopia de plano único" . Revista de Ingeniería Biomecánica . 127 (4): 692–699. doi : 10.1115 / 1.1933949 . ISSN 0148-0731 . PMC 1635456 . PMID 16121540 .
- ^ a b c Roach, JM; Pfau, T .; Bryars, J .; Unt, V .; Channon, SB; Weller, R. (1 de octubre de 2014). "Cinemática sagital de la extremidad distal dentro de la cápsula de la pezuña capturada mediante fluoroscopia de alta velocidad en caballos que caminan y trotan". La Revista Veterinaria . 202 (1): 94–98. doi : 10.1016 / j.tvjl.2014.06.014 . PMID 25163612 .
- ^ a b c d Miranda, Daniel L .; Schwartz, Joel B .; Loomis, Andrew C .; Brainerd, Elizabeth L .; Fleming, Braden C .; Crisco, Joseph J. (21 de diciembre de 2011). "Error estático y dinámico de un sistema de videoradiografía biplanar utilizando técnicas de seguimiento basadas en marcadores y sin marcadores" . Revista de Ingeniería Biomecánica . 133 (12): 121002. doi : 10.1115 / 1.4005471 . ISSN 0148-0731 . PMC 3267989 . PMID 22206419 .
- ^ a b Bauman, Jay M .; Chang, Young-Hui (30 de enero de 2010). "El video de rayos X de alta velocidad demuestra errores significativos en el movimiento de la piel con cinemática óptica estándar durante la locomoción de la rata" . Revista de métodos de neurociencia . 186 (1): 18-24. doi : 10.1016 / j.jneumeth.2009.10.017 . PMC 2814909 . PMID 19900476 .
- ^ Guan, S .; Gray, HA; Keynejad, F .; Pandy, MG (1 de enero de 2016). "Sistema de imágenes de rayos X biplano móvil para medir el movimiento articular dinámico 3D durante la marcha sobre el suelo". Transacciones IEEE sobre imágenes médicas . 35 (1): 326–336. doi : 10.1109 / TMI.2015.2473168 . ISSN 0278-0062 . PMID 26316030 . S2CID 5679052 .
- ^ a b MIRANDA, DANIEL L .; FADALE, PAUL D .; HULSTYN, MICHAEL J .; SHALVOY, ROBERT M .; MACHAN, JASON T .; FLEMING, BRADEN C. (2013). "Biomecánica de la rodilla durante una maniobra de salto-corte" . Medicina y ciencia en deportes y ejercicio . 45 (5): 942–951. doi : 10.1249 / mss.0b013e31827bf0e4 . PMC 3594620 . PMID 23190595 .
- ^ a b Astley, Henry C .; Roberts, Thomas J. (15 de diciembre de 2014). "La mecánica de la carga elástica y el retroceso en el salto de anuros" . Revista de Biología Experimental . 217 (24): 4372–4378. doi : 10.1242 / jeb.110296 . ISSN 0022-0949 . PMID 25520385 .
- ^ Jenkins, Ron (1 de enero de 2006). "Técnicas de rayos X: descripción general". Enciclopedia de Química Analítica . John Wiley & Sons, Ltd. doi : 10.1002 / 9780470027318.a6801 . ISBN 9780470027318.
- ^ Sharma, Gulshan B .; Kuntze, Gregor; Kukulski, Diane; Ronsky, Janet L. (16 de julio de 2015). "Validación de las capacidades del sistema de fluoroscopia dual para determinar la deformación del tejido blando de la articulación de la rodilla in-vivo: una estrategia para la gestión de errores de registro". Revista de Biomecánica . 48 (10): 2181-2185. doi : 10.1016 / j.jbiomech.2015.04.045 . ISSN 1873-2380 . PMID 26003485 .
- ^ Thorhauer, Eric; Tashman, Scott (1 de octubre de 2015). "Validación de un método para combinar la radiografía biplanar y la resonancia magnética para estimar el contacto del cartílago de la rodilla" . Ingeniería médica y física . 37 (10): 937–947. doi : 10.1016 / j.medengphy.2015.07.002 . ISSN 1873-4030 . PMC 4604050 . PMID 26304232 .
- ^ Bey, Michael J .; Kline, Stephanie K .; Zauel, Roger; Lock, Terrence R .; Kolowich, Patricia A. (1 de enero de 2008). "Medición de la cinemática articular glenohumeral dinámica in vivo: técnica y resultados preliminares" . Revista de Biomecánica . 41 (3): 711–714. doi : 10.1016 / j.jbiomech.2007.09.029 . ISSN 0021-9290 . PMC 2288548 . PMID 17996874 .
- ^ Bonnan, Matthew F .; Shulman, Jason; Varadharajan, Radha; Gilbert, Corey; Wilkes, Mary; Horner, Angela; Brainerd, Elizabeth (2 de marzo de 2016). "Cinemática de las extremidades anteriores de las ratas con XROMM, con implicaciones para los pequeños euterios y sus parientes fósiles" . PLOS ONE . 11 (3): e0149377. doi : 10.1371 / journal.pone.0149377 . ISSN 1932-6203 . PMC 4775064 . PMID 26933950 .
- ^ Gatesy, Stephen M. (1 de mayo de 1999). "Función de las patas traseras de Guineafowl. I: Análisis cineradiográfico y efectos de velocidad" . Revista de morfología . 240 (2): 115-125. doi : 10.1002 / (SICI) 1097-4687 (199905) 240: 2 <115 :: AID-JMOR3> 3.0.CO; 2-Y . ISSN 1097-4687 . PMID 29847877 .
- ^ Kambic, Robert E .; Roberts, Thomas J .; Gatesy, Stephen M. (1 de agosto de 2014). "Rotación de eje largo: falta un grado de libertad en la locomoción bípeda aviar" . Revista de Biología Experimental . 217 (15): 2770–2782. doi : 10.1242 / jeb.101428 . ISSN 0022-0949 . PMID 24855675 .
- ^ Henderson, Sarah E .; Desai, Riddhi; Tashman, Scott; Almarza, Alejandro J. (11 de abril de 2014). "Análisis funcional de la articulación temporomandibular del conejo mediante imágenes dinámicas de biplano" . Revista de Biomecánica . 47 (6): 1360-1367. doi : 10.1016 / j.jbiomech.2014.01.051 . ISSN 1873-2380 . PMC 4010254 . PMID 24594064 .