Analyse cinématique 3D pour l’évaluation fonctionnelle dans le modèle de rat de la blessure d’écrasement de nerf sciatique
Summary
Nous introduisons une méthode d’analyse cinématique qui utilise un appareil tridimensionnel de capture de mouvement contenant quatre caméras et un logiciel de traitement de données pour effectuer des évaluations fonctionnelles au cours de la recherche fondamentale impliquant des modèles de rongeurs.
Abstract
Comparé à l’indice fonctionnel sciatique (SFI), l’analyse cinématique est une méthode plus fiable et sensible pour effectuer des évaluations fonctionnelles des modèles sciatiques de rongeur de dommages de nerf. Dans ce protocole, nous décrivons une nouvelle méthode d’analyse cinématique qui emploie un appareil tridimensionnel (3D) de capture de mouvement pour des évaluations fonctionnelles utilisant un modèle sciatique de blessure d’écrasement de nerf de rat. Tout d’abord, le rat est familiarisé avec la marche sur tapis roulant. Les marqueurs sont ensuite fixés aux repères osseux désignés et le rat est fait pour marcher sur le tapis roulant à la vitesse désirée. Pendant ce temps, les mouvements postérieurs des membres du rat sont enregistrés à l’aide de quatre caméras. Selon le logiciel utilisé, les traçons marqueurs sont créés à l’aide de modes automatiques et manuels et les données souhaitées sont produites après des ajustements subtils. Cette méthode d’analyse cinématique, qui utilise un appareil de capture de mouvement 3D, offre de nombreux avantages, y compris une précision et une précision supérieures. Beaucoup plus de paramètres peuvent être étudiés au cours des évaluations fonctionnelles complètes. Cette méthode présente plusieurs lacunes qui nécessitent une prise en considération : le système est coûteux, peut être compliqué à utiliser et peut produire des déviations de données dues au déplacement de la peau. Néanmoins, l’analyse cinématique utilisant un appareil de capture de mouvement 3D est utile pour effectuer des évaluations antérieures et postérieures fonctionnelles de membre. À l’avenir, cette méthode pourrait devenir de plus en plus utile pour générer des évaluations précises de divers traumatismes et maladies.
Introduction
L’indice fonctionnel sciatique (ISF) est la méthode de référence pour effectuer des évaluations fonctionnelles des nerfs sciatiques1. Le SFI a été largement adopté et est fréquemment utilisé dans diverses études d’évaluation fonctionnelle sur les lésions nerveuses sciatiques rat2,3,4,5,6. En dépit de sa popularité, il ya plusieurs problèmes avec SFI, y compris l’automutilation7, risque de contracture conjointe, et le frottis des empreintes8. Ces problèmes affectent sérieusement sa valeur pronostique9. Par conséquent, une autre méthode moins sujette aux erreurs est nécessaire pour remplacer l’ISF.
Une telle méthode alternative est l’analyse cinématique. Cela comprend une analyse complète de la démarche à l’aide de marqueurs de suivi attachés à des repères osseux ou des joints. L’analyse cinématique est de plus en plus utilisée pour les évaluations fonctionnelles9. Cette méthode est progressivement reconnue comme un outil fiable et sensible pour l’évaluation fonctionnelle10 sans les lacunes attribuées à l’ISF11,12.
Dans ce protocole, nous décrivons une série d’analyses cinématiques qui utilisent un appareil de capture de mouvement 3D composé d’un tapis roulant, de quatre caméras couplées chargées de 120 Hz (CCD) et d’un logiciel de traitement des données (voir Tableau des matériaux). Cette méthode d’analyse cinématique diffère de la marche vidéo générale ou de l’analyse de la démarche13,14. Deux caméras sont placées dans des directions différentes pour enregistrer les mouvements postérieurs des membres d’un seul côté. Par la suite, un modèle numérique 3D du membre postérieur est construit en utilisant l’infographie9. Nous pouvons calculer les angles articulaires désignés, tels que la hanche, le genou, la cheville et l’articulation des orteils, en récapitulant de près les dimensions réelles des membres. En outre, nous pouvons déterminer divers paramètres tels que la longueur de foulée/étape et le rapport de la phase de position à la phase de swing. Ces reconstructions sont basées sur un modèle numérique 3D entièrement reconstruit des membres postérieurs, généré à partir de données transmises par deux ensembles de caméras. Même la trajectoire imaginaire du centre de gravité (CoG) peut être calculée automatiquement.
Nous avons utilisé cet appareil de capture de mouvement 3D pour introduire et évaluer plusieurs paramètres cinématiques qui révèlent des changements fonctionnels au fil du temps dans le contexte du modèle de blessure d’écrasement de nerf sciatique de rat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans ce protocole, un rat stable et marchant continuellement est la composante la plus vitale de l’analyse cinématique. La vitesse du tapis roulant a été fixée à 20 cm/s. Cette vitesse de marche n’est en aucun cas considérée comme “élevée” si les rats se déplacent sans contraintes d’espace16. Néanmoins, cette vitesse est trop rapide pour que les rats non formés marchent sur le tapis roulant et entraînerait probablement une démarche anormale et des mouvements non uniformes. Ces …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été soutenue par JSPS KAKENHI Grant Number JP19K19793, JP18H03129, et 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 |
References
- 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).
