3D Kinematic Analyse for funktionel evaluering i rottemodel af iskiasnerven crush skade
Summary
Vi introducerer en kinematisk analysemetode, der bruger et tredimensionelt motion capture apparat, der indeholder fire kameraer og databehandlingsoftware til udførelse af funktionelle evalueringer under grundforskning, der involverer gnavermodeller.
Abstract
Sammenlignet med Det Sciatic Functional Index (SFI) er kinematisk analyse en mere pålidelig og følsom metode til udførelse af funktionelle evalueringer af iskiasnerveskadegnaveremodeller. I denne protokol beskriver vi en ny kinematisk analysemetode, der bruger et tredimensionelt bevægelsesfangeapparat (3D) til funktionelle evalueringer ved hjælp af en rotteitisk nerveknusningsmodel. For det første er rotten bekendt med løbebånd gå. Markører er derefter knyttet til de udpegede knogle vartegn og rotten er lavet til at gå på løbebåndet ved den ønskede hastighed. I mellemtiden registreres rottens bageste lemmerbevægelser ved hjælp af fire kameraer. Afhængigt af den anvendte software oprettes markørsporinger ved hjælp af både automatiske og manuelle tilstande, og de ønskede data produceres efter diskrete justeringer. Denne metode til kinematisk analyse, som bruger en 3D motion capture apparat, tilbyder mange fordele, herunder overlegen præcision og nøjagtighed. Mange flere parametre kan undersøges i løbet af de omfattende funktionelle evalueringer. Denne metode har flere mangler, der kræver overvejelse: Systemet er dyrt, kan være kompliceret at betjene, og kan producere dataafvigelser på grund af hudskift. Ikke desto mindre er kinematisk analyse ved hjælp af et 3D-bevægelsesopsamlingsapparat nyttigtil udførelse af funktionelle anterior- og posteriorlimbevalueringer. I fremtiden kan denne metode blive mere og mere nyttig til at generere nøjagtige vurderinger af forskellige traumer og sygdomme.
Introduction
Det sietiske funktionelle indeks (SFI) er benchmarkmetoden til udførelse af funktionelle iskiasnervens evalueringer1. SFI er blevet bredt vedtaget og anvendes ofte inden for forskellige funktionelle evalueringsundersøgelser af rottesitiske nerveskader2,3,4,5,6. På trods af sin popularitet, der er flere problemer med SFI, herunder automutilation7, fælles kontraktur risiko, og udtværing af fodspor8. Disse problemer påvirker i alvorlig grad dens prognoseværdi9. Derfor er der behov for en alternativ, mindre fejlbehæftet metode som erstatning for SFI’ en.
En sådan alternativ metode er kinematisk analyse. Dette omfatter omfattende ganganalyse ved hjælp af sporingsmarkører fastgjort til knede landemærker eller samlinger. Kinematisk analyse anvendes i stigende grad til funktionelle evalueringer9. Denne metode anerkendes gradvist som et pålideligt og følsomt værktøj til funktionel evaluering10 uden de mangler , der tilskrives SFI11,12.
I denne protokol beskriver vi en række kinematikanalyser, der bruger et 3D-bevægelsesfangeapparat bestående af et løbebånd, fire 120 Hz ladede koblede enhedskameraer (CCD) og databehandlingssoftware (se Materialetabel). Denne kinematiske analysemetode adskiller sig fra generel videogang eller ganganalyse13,14. To kameraer er placeret i forskellige retninger for at optage bageste lemmer bevægelser fra en enkelt side. Efterfølgende er en 3D digital model af den bageste lemmer konstrueret ved hjælp af computergrafik9. Vi kan beregne udpegede fælles vinkler, såsom hofte, knæ, ankel, og tå fælles, ved nøje at opsummere de faktiske lemmer dimensioner. Derudover kan vi bestemme forskellige parametre såsom skridt /trin længde og forholdet mellem holdningsfasen til swing fase. Disse rekonstruktioner er baseret på en fuldstændig rekonstrueret 3D digital model af de bageste lemmer, genereret fra data, der overføres af to sæt kameraer. Selv den imaginære tyngdepunkt (CoG) bane kan beregnes automatisk.
Vi brugte denne 3D motion capture apparat til at indføre og vurdere flere kinematiske parametre, der afslører funktionelle ændringer over tid inden for rammerne af rotte iskiasnerven knuse skade model.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne protokol er en stabil og kontinuerligt gangrotte den mest vitale komponent i kinematikanalyse. Løbebåndhastigheden blev sat til 20 cm/s. Denne ganghastighed betragtes på ingen måde som “høj”, hvis rotter ne bevæger sig uden pladsbegrænsninger16. Ikke desto mindre, denne hastighed er for hurtig for utrænede rotter til stably gå på løbebåndet og vil sandsynligvis resultere i en unormal gangart og nonuniform bevægelser. Disse hændelser kan i alvorlig grad påvirke datapålidelig…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev støttet af JSPS KAKENHI Grant Number JP19K19793, JP18H03129 og 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).
