3D Kinematic Analyse voor de functionele evaluatie in het Rattenmodel van Sciatische Zenuwbrekerletsel
Summary
We introduceren een kinematische analysemethode die gebruik maakt van een driedimensionaal bewegingsopnameapparaat met vier camera’s en gegevensverwerkingssoftware voor het uitvoeren van functionele evaluaties tijdens fundamenteel onderzoek met knaagdiermodellen.
Abstract
In vergelijking met de Sciatic Functional Index (SFI) is kinematische analyse een betrouwbaardere en gevoeligere methode voor het uitvoeren van functionele evaluaties van heupzenuwletselknaagdiermodellen. In dit protocol beschrijven we een nieuwe kinematische analysemethode die een driedimensionaal (3D) bewegingsopnameapparaat gebruikt voor functionele evaluaties met behulp van een rattenheupzenuwbrekerletselmodel. Ten eerste, de rat is vertrouwd met loopband lopen. Markers worden vervolgens bevestigd aan de aangewezen bot oriëntatiepunten en de rat is gemaakt om te lopen op de loopband met de gewenste snelheid. Ondertussen worden de bewegingen van de achterste ledematen van de rat opgenomen met behulp van vier camera’s. Afhankelijk van de gebruikte software worden markertraceringen gemaakt met zowel automatische als handmatige modi en worden de gewenste gegevens geproduceerd na subtiele aanpassingen. Deze methode van kinematische analyse, die gebruik maakt van een 3D motion capture apparaat, biedt tal van voordelen, waaronder superieure precisie en nauwkeurigheid. Veel meer parameters kunnen worden onderzocht tijdens de uitgebreide functionele evaluaties. Deze methode heeft verschillende tekortkomingen die aandacht vereisen: Het systeem is duur, kan ingewikkeld zijn om te werken en kan gegevensafwijkingen veroorzaken als gevolg van huidverschuiving. Niettemin is kinematische analyse met behulp van een 3D-bewegingsopnameapparaat nuttig voor het uitvoeren van functionele voorste en achterste ledematenevaluaties. In de toekomst kan deze methode steeds nuttiger worden voor het genereren van nauwkeurige beoordelingen van verschillende trauma’s en ziekten.
Introduction
De Sciatic Functional Index (SFI) is de benchmarkmethode voor het uitvoeren van functionele heupzenuwevaluaties1. De SFI is op grote schaal aangenomen en wordt vaak gebruikt in verschillende functionele evaluatiestudies over rattenheupzenuwletsels2,3,4,5,6. Ondanks zijn populariteit, zijn er verschillende problemen met SFI, met inbegrip van automutilatie7, gezamenlijkcontracture risico, en smeren van de voetafdrukken8. Deze problemen hebben ernstige gevolgen voor de prognostische waarde9. Daarom is een alternatieve, minder foutgevoelige methode vereist als vervanging voor de SFI.
Een van deze alternatieve methode is kinematische analyse. Dit omvat uitgebreide ganganalyse met behulp van trackingmarkers die zijn bevestigd aan benige oriëntatiepunten of gewrichten. Kinematische analyse wordt steeds vaker gebruikt voor functionele evaluaties9. Deze methode wordt geleidelijk erkend als een betrouwbaar en gevoelig instrument voor functionele evaluatie10 zonder de tekortkomingen toegeschreven aan de SFI11,12.
In dit protocol beschrijven we een reeks kinematische analyses die gebruik maken van een 3D motion capture-apparaat bestaande uit een loopband, vier 120 Hz charged coupled device (CCD) camera’s en gegevensverwerkingssoftware (zie Tabel met materialen). Deze kinematische analysemethode verschilt van algemene videolopen of ganganalyse13,14. Twee camera’s zijn geplaatst in verschillende richtingen op te nemen achterste ledematen bewegingen van een enkele kant. Vervolgens wordt een 3D digitaal model van de achterste ledemaat gebouwd met behulp van computergraphics9. We kunnen aangewezen gewrichtshoeken berekenen, zoals heup, knie, enkel en teengewricht, door de werkelijke ledematenafmetingen nauwkeurig samen te vatten. Daarnaast kunnen we verschillende parameters bepalen, zoals pas/staplengte en de verhouding van de houdingsfase tot de swingfase. Deze reconstructies zijn gebaseerd op een volledig gereconstrueerd 3D digitaal model van de achterste ledematen, gegenereerd uit gegevens die door twee sets camera’s worden verzonden. Zelfs het denkbeeldige zwaartepunt (CoG) traject kan automatisch worden berekend.
We gebruikten deze 3D motion capture apparaat om meerdere kinematische parameters te introduceren en te beoordelen die functionele veranderingen in de tijd onthullen in de context van het rat heupzenuwbrekerletselmodel.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit protocol is een stabiele en continu wandelende rat de meest vitale component van kinematische analyse. De loopbandsnelheid werd ingesteld op 20 cm/s. Deze loopsnelheid wordt in geen geval als “hoog” beschouwd als ratten bewegen zonder ruimtebeperkingen16. Niettemin, deze snelheid is te snel voor ongetrainde ratten om stabiel lopen op de loopband en zou waarschijnlijk resulteren in een abnormale gang en niet-uniforme bewegingen. Deze gebeurtenissen kunnen de betrouwbaarheid en authenticiteit…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd ondersteund door JSPSHI Grant Number JP19K KAKEN19793, JP18H03129 en JP18K19739.
Materials
| 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 |
Riferimenti
- Kanaya, F., Firrell, J. C., Breidenbach, W. C. Sciatic function index, nerve conduction tests, muscle contraction, and axon morphometry as indicators of regeneration. Plastic and Reconstructive Surgery. 98 (7), 1264-1274 (1996).
- Takhtfooladi, M. A., Jahanbakhsh, F., Takhtfooladi, H. A., Yousefi, K., Allahverdi, A. Effect of low-level laser therapy (685 nm, 3 J/cm(2)) on functional recovery of the sciatic nerve in rats following crushing lesion. Lasers in Medical Science. 30 (3), 1047-1052 (2015).
- Xing, H., Zhou, M., Assinck, P., Liu, N. Electrical stimulation influences satellite cell differentiation after sciatic nerve crush injury in rats. Muscle & Nerve. 51 (3), 400-411 (2015).
- Yang, C. C., Wang, J., Chen, S. C., Jan, Y. M., Hsieh, Y. L. Enhanced functional recovery from sciatic nerve crush injury through a combined treatment of cold-water swimming and mesenchymal stem cell transplantation. Neurological Research. 37 (90), 816-826 (2015).
- Jiang, W., et al. Low-intensity pulsed ultrasound treatment improved the rate of autograft peripheral nerve regeneration in rat. Scientific Reports. 6, 22773 (2016).
- Ni, X. J., et al. The Effect of Low-Intensity Ultrasound on Brain-Derived Neurotropic Factor Expression in a Rat Sciatic Nerve Crushed Injury Model. Ultrasound in Medicine & Biology. 43 (2), 461-468 (2017).
- Weber, R. A., Proctor, W. H., Warner, M. R., Verheyden, C. N. Autotomy and the sciatic functional index. Microsurgery. 14 (5), 323-327 (1993).
- Dellon, A. L., Mackinnon, S. E. Sciatic nerve regeneration in the rat. Validity of walking track assessment in the presence of chronic contractures. Microsurgery. 10 (3), 220-225 (1989).
- Wang, T., et al. Functional evaluation outcomes correlate with histomorphometric changes in the rat sciatic nerve crush injury model : A comparison between sciatic functional index and kinematic analysis. PLoS One. 13 (12), e0208985 (2018).
- de Ruiter, G. C., et al. Two-dimensional digital video ankle motion analysis for assessment of function in the rat sciatic nerve model. Journal of the Peripheral Nervous System. 12 (3), 216-222 (2007).
- Walker, J. L., Evans, J. M., Meade, P., Resig, P., Sisken, B. F. Gait-stance duration as a measure of injury and recovery in the rat sciatic nerve model. Journal of Neuroscience Methods. 52 (1), 47-52 (1994).
- Dijkstra, J. R., Meek, M. F., Robinson, P. H., Gramsbergen, A. Methods to evaluate functional nerve recovery in adult rats: walking track analysis, video analysis and the withdrawal reflex. Journal of Neuroscience Methods. 96 (2), 89-96 (2000).
- Lee, J. Y., et al. Functional evaluation in the rat sciatic nerve defect model: a comparison of the sciatic functional index, ankle angles, and isometric tetanic force. Plastic and Reconstructive Surgery. 132 (5), 1173-1180 (2013).
- Rui, J., et al. Gait cycle analysis: parameters sensitive for functional evaluation of peripheral nerve recovery in rat hind limbs. Annals of Plastic Surgery. 73 (4), 405-411 (2014).
- Yu, P., Matloub, H. S., Sanger, J. R., Narini, P. Gait analysis in rats with peripheral nerve injury. Muscle & Nerve. 24 (2), 231-239 (2001).
- Amado, S., et al. The sensitivity of two-dimensional hindlimb joint kinematics analysis in assessing functional recovery in rats after sciatic nerve crush. Behavioural Brain Research. 225 (2), 562-573 (2011).
- Monte-Raso, V. V., Barbieri, C. H., Mazzer, N., Yamasita, A. C., Barbieri, G. Is the Sciatic Functional Index always reliable and reproducible?. Journal of Neuroscience Methods. 170 (2), 255-261 (2008).
- Varejao, A. S. P., et al. Motion of the foot and ankle during the stance phase in rats. Muscle & Nerve. 26 (5), 630-635 (2002).
- Lin, F. M., Pan, Y. C., Hom, C., Sabbahi, M., Shenaq, S. Ankle stance angle: a functional index for the evaluation of sciatic nerve recovery after complete transection. Journal of Reconstructive Microsurgery. 12 (3), 173-177 (1996).
- Patel, M., et al. Video-gait analysis of functional recovery of nerve repaired with chitosan nerve guides. Tissue Engineering. 12 (11), 3189-3199 (2006).
- Filipe, V. M., et al. Effect of skin movement on the analysis of hindlimb kinematics during treadmill locomotion in rats. Journal of Neuroscience Methods. 153 (1), 55-61 (2006).
- Tajino, J., et al. Three-dimensional motion analysis for comprehensive understanding of gait characteristics after sciatic nerve lesion in rodents. Scientific Reports. 8 (1), 13585 (2018).
