3D Kinematic Analys för funktionell utvärdering i Rat Modell av Sciatic Nerve Crush Skada
Summary
Vi introducerar en kinematic analysmetod som använder en tredimensionell motion capture apparat som innehåller fyra kameror och databehandlingsprogram för att utföra funktionella utvärderingar under grundläggande forskning som involverar gnagare modeller.
Abstract
Jämfört med Sciatic Functional Index (SFI) är kinematic-analys en mer tillförlitlig och känslig metod för att utföra funktionella utvärderingar av ischiasnervska gnagare modeller. I detta protokoll beskriver vi en ny kinematic analysmetod som använder en tredimensionell (3D) motion capture apparat för funktionella utvärderingar med hjälp av en råtta ischias nerv krossa skada modell. Först är råttan bekant med löpband promenader. Markörer är sedan knutna till de utsedda ben landmärken och råttan är gjord för att gå på löpbandet med önskad hastighet. Under tiden registreras råttans bakre lemrörelser med fyra kameror. Beroende på vilken programvara som används skapas markörspårningar med både automatiska och manuella lägen och önskade data produceras efter subtila justeringar. Denna metod för kinematic analys, som använder en 3D motion capture apparat, erbjuder många fördelar, inklusive överlägsen precision och noggrannhet. Många fler parametrar kan undersökas under de omfattande funktionella utvärderingarna. Denna metod har flera brister som kräver övervägande: Systemet är dyrt, kan vara komplicerat att använda, och kan producera dataavvikelser på grund av hudväxling. Ändå är kinematic analys med hjälp av en 3D motion capture apparat användbart för att utföra funktionella främre och bakre lem utvärderingar. I framtiden kan denna metod bli allt mer användbar för att generera korrekta bedömningar av olika trauman och sjukdomar.
Introduction
Sciatic Functional Index (SFI) är riktmärket metod för att utföra funktionella sciatic nerv utvärderingar1. SFI har antagits allmänt och används ofta inom olika funktionella utvärderingsstudier om råtta sciatic nervskador2,3,4,5,6. Trots dess popularitet finns det flera problem med SFI, inklusive automutilation7, gemensam kontrakturrisk och utsmetande av fotspåren8. Dessa problem påverkar allvarligt dess prognostiska värde9. Därför krävs en alternativ, mindre felbenägen metod som ersättning för SFI.
En sådan alternativ metod är kinematic analys. Detta inkluderar omfattande gånganalys med hjälp av spårningsmarkörer kopplade till beniga landmärken eller leder. Kinematic analys används i allt högre grad för funktionella utvärderingar9. Denna metod är successivt erkänns som ett tillförlitligt och känsligt verktyg för funktionell utvärdering10 utan de brister som tillskrivs SFI11,12.
I detta protokoll beskriver vi en serie kinematiska analyser som använder en 3D-rörelseinsamlingsapparat som består av ett löpband, fyra 120 Hz laddade kopplade enheter (CCD) kameror och databehandlingsprogram (se Materialförteckning). Denna kinematiska analysmetod skiljer sig från allmän video gång eller gång analys13,14. Två kameror är placerade i olika riktningar för att spela in bakre lem rörelser från en enda sida. Därefter är en 3D digital modell av den bakre extremiteten konstruerad med hjälp av datorgrafik9. Vi kan beräkna utsedda ledvinklar, såsom höft, knä, fotled och tå led, genom att nära sammanfatta de faktiska lem dimensioner. Dessutom kan vi bestämma olika parametrar såsom steg/ steglängd och förhållandet mellan hållningsfasen och svängfasen. Dessa rekonstruktioner är baserade på en helt rekonstruerad 3D digital modell av de bakre lemmar, som genereras från data som överförs av två uppsättningar kameror. Även den imaginära tyngdpunkten (CoG) banan kan beräknas automatiskt.
Vi använde denna 3D motion capture apparat för att införa och bedöma flera kinematic parametrar som avslöjar funktionella förändringar över tiden inom ramen för råttisk nerv krossa skada modell.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta protokoll är en stabil och kontinuerligt vandrande råtta den viktigaste komponenten i kinematic analys. Löpbandets hastighet sattes till 20 cm/s. Denna gånghastighet anses inte på något sätt vara “hög” om råttor rör sig utan utrymmesbegränsningar16. Ändå är denna hastighet för snabb för otränade råttor att hugga på löpbandet och skulle sannolikt resultera i en onormal gång och nonuniform rörelser. Dessa händelser kan allvarligt påverka datatillförlitlighet och äkt…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöddes av JSPS KAKENHI Grant Number JP19K19793, JP18H03129 och 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).
