Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Análisis del movimiento mediante rayos X

El análisis de movimiento por rayos X es una técnica que se utiliza para rastrear el movimiento de objetos mediante rayos X. Esto se logra colocando el objeto a examinar en el c...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

El análisis de movimiento por rayos X es una técnica que se utiliza para rastrear el movimiento de objetos mediante rayos X. Esto se logra colocando el objeto a examinar en el centro del haz de rayos X y registrando el movimiento con 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 articular o registrar el movimiento de huesos ocultos por tejido blando . La capacidad de medir los movimientos esqueléticos es un aspecto clave para comprender la biomecánica , la energética y el control motor de los vertebrados . [ 1 ]

Métodos de imagen

Un sistema de rayos X planar.

Planar

Muchos estudios de rayos X se realizan con un único emisor de rayos X y una cámara. Este tipo de imagen permite rastrear movimientos en el plano bidimensional de la radiografía. Los movimientos se realizan en paralelo al plano de imagen de la cámara para que el movimiento se rastree con precisión. [ 2 ] En el análisis de la marcha , los estudios de rayos X planares se realizan en el plano sagital para permitir un seguimiento muy preciso de grandes movimientos. [ 3 ] Se han desarrollado métodos para permitir estimar los seis grados de libertad de movimiento a partir de una radiografía planar y un modelo del objeto rastreado. [ 4 ] [ 5 ]

Ejemplo de configuración de un sistema de fluoroscopia biplanar, que captura los movimientos esqueléticos de una rata en una cinta de correr.

Biplanar

Pocos movimientos son verdaderamente planares; [ 2 ] la imagen de rayos X planar puede capturar la mayor parte del movimiento, pero no todo. Capturar y cuantificar con precisión las tres dimensiones del movimiento requiere un sistema de imagen biplanar. [ 2 ] La imagen biplanar es difícil de realizar porque muchas instalaciones solo tienen acceso a un emisor de rayos X. [ 1 ] Con la adición de un segundo sistema de rayos X y cámara, el plano de imagen 2D se expande a un volumen de imagen 3D en la intersección de los haces de rayos X. Debido a que el volumen de imagen está 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

Marcado

Las técnicas de captura de movimiento suelen utilizar marcadores reflectantes para la captura de imágenes. En la radiografía, se utilizan marcadores que aparecen opacos en las imágenes radiográficas. [ 2 ] Esto frecuentemente implica el uso de esferas radiopacas adheridas al sujeto. Los marcadores pueden implantarse en los huesos del sujeto, lo que los haría visibles en las imágenes radiográficas. [ 6 ] Este método requiere procedimientos quirúrgicos para la implantación y un período de recuperación antes de que el sujeto pueda someterse a un análisis de movimiento. Para un seguimiento 3D preciso, se necesitan implantar al menos tres marcadores en cada hueso que se va a rastrear. [ 7 ] Los marcadores también pueden colocarse en la piel del sujeto para rastrear 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 el hueso. Esto ocurre en lugares donde el tejido blando se mueve con mayor libertad que la piel suprayacente. [ 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 marcadores

Las técnicas y el software emergentes permiten rastrear el movimiento sin necesidad de marcadores radiopacos. Mediante un modelo 3D del objeto a rastrear, este se superpone a las imágenes del video de rayos X en cada fotograma. [ 7 ] Las traslaciones y rotaciones del modelo, en lugar de un conjunto de marcadores, se rastrean con respecto a la(s) cámara(s) de rayos X. [ 7 ] Utilizando un sistema de coordenadas local, estas traslaciones y rotaciones se pueden mapear a movimientos anatómicos estándar. El modelo 3D del objeto se genera a partir de cualquier técnica de imagen 3D, como una resonancia magnética o una tomografía computarizada. El rastreo sin marcadores tiene la ventaja de ser un método no invasivo, evitando las complicaciones derivadas de las cirugías. Una dificultad radica en la generación del modelo 3D en estudios con animales, ya que estos deben ser sedados o sacrificados para la exploración.

Análisis

En la imagen de rayos X planar, los movimientos de los marcadores o cuerpos se rastrean mediante un software especializado. El usuario proporciona una estimación inicial de la ubicación de los marcadores o cuerpos. El software, según sus capacidades, requiere que el usuario localice manualmente los marcadores o cuerpos en cada fotograma del vídeo, o bien puede rastrear automáticamente las ubicaciones a lo largo del vídeo. El seguimiento automático debe supervisarse para garantizar su precisión y puede requerir la recolocación manual de los marcadores o cuerpos. Una vez generados 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 rastrearían el movimiento del fémur. Utilizando el conocimiento de la anatomía local, estos movimientos pueden traducirse a términos anatómicos de movimiento en el plano de rayos X. [ 2 ]

En la imagen de rayos X biplanar, los movimientos también se rastrean mediante un software especializado. De forma similar al análisis planar, el usuario proporciona una estimación inicial de la ubicación y rastrea los marcadores o cuerpos manualmente, o bien el software puede rastrearlos automáticamente. Sin embargo, el análisis biplanar requiere que todo el rastreo se realice en ambos fotogramas de vídeo simultáneamente, posicionando el objeto en el espacio libre. Ambas cámaras de rayos X deben calibrarse utilizando un objeto de volumen conocido. Esto permite al software determinar la posición relativa de las cámaras y, posteriormente, al usuario posicionar el modelo 3D del objeto en línea con ambos fotogramas de vídeo. Los datos de rastreo se generan para cada marcador o cuerpo y luego se aplican a los cuerpos anatómicos locales. Los datos de rastreo se definen además como términos anatómicos de movimiento en el espacio libre. [ 7 ]

Aplicaciones

El análisis de movimiento por rayos X puede utilizarse 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 ] pueden medirse dependiendo de la movilidad del sistema de rayos X. También se han registrado otros tipos de movimientos, como una maniobra de cambio de dirección con salto [ 10 ] . Al combinar el análisis de movimiento por 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. Las imágenes de rayos X se han utilizado con fines de diagnóstico médico desde poco después de su descubrimiento en 1895 [ 12 ]. El análisis de movimiento por rayos X puede utilizarse en imágenes articulares 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 puede analizarse con imágenes de rayos X. Siempre que el animal pueda colocarse entre el emisor de rayos X y la cámara, se puede obtener una imagen del sujeto. Ejemplos de marchas que se han estudiado son ratas, [ 8 ] [ 16 ] gallinas de Guinea, [ 17 ] caballos, [ 6 ] aves bípedas, [ 18 ] y ranas, [ 11 ] entre otros. Además de la locomoción, el análisis de movimiento por rayos X se ha utilizado en el estudio e investigación de otros análisis de morfología del movimiento, como la masticación del cerdo [ 2 ] y el movimiento de la articulación temporomandibular en conejos. [ 19 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Gatesy, Stephen M.; Baier, David B.; Jenkins, Farish A.; Dial, Kenneth P. (2010-06-01). "Rotoscopia científica: un método basado en la morfología para el análisis y la visualización del movimiento en 3D". Journal of Experimental Zoology Part A . 313 (5): 244– 261. Bibcode : 2010JEZA..313..244G . doi : 10.1002/jez.588 . ISSN 1932-5231 . PMID 20084664 .  
  2. 1 2 3 4 5 6 7 Brainerd, Elizabeth L.; Baier, David B.; Gatesy, Stephen M.; Hedrick, Tyson L.; Metzger, Keith A.; Gilbert, Susannah L.; Crisco, Joseph J. (2010-06-01). "Reconstrucción de rayos X de la morfología en movimiento (XROMM): precisión, exactitud y aplicaciones en la investigación de biomecánica comparada". Journal of Experimental Zoology Part A . 313 (5): 262– 279. Bibcode : 2010JEZA..313..262B . doi : 10.1002/jez.589 . ISSN 1932-5231 . PMID 20095029 .  
  3. ↑ You, BM; Siy, P.; Anderst, W.; Tashman, S. (2001-06-01). "Medición in vivo de la cinemática esquelética 3D a partir de secuencias de radiografías biplanares: aplicación a la cinemática de la rodilla". IEEE Transactions on Medical Imaging . 20 (6): 514– 525. CiteSeerX 10.1.1.160.4765 . doi : 10.1109/42.929617 . ISSN 0278-0062 . PMID 11437111 . S2CID 9029951 .    
  4. 1 2 Banks, SA; Hodge, WA (1996-06-01). "Medición precisa de la cinemática tridimensional del reemplazo de rodilla mediante fluoroscopia de un solo plano". IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering . 43 (6): 638– 649. doi : 10.1109/10.495283 . ISSN 0018-9294 . PMID 8987268 . S2CID 21845830 .   
  5. ↑ Fregly, Benjamin J.; Rahman, Haseeb A.; Banks, Scott A. (27 de enero de 2005). "Precisión teórica del ajuste de forma basado en modelos para medir la cinemática natural de la rodilla con fluoroscopia de un solo plano" . Journal of Biomechanical Engineering . 127 (4): 692– 699. doi : 10.1115/1.1933949 . ISSN 0148-0731 . PMC 1635456. PMID 16121540 .   
  6. 1 2 3 Roach, JM; Pfau, T.; Bryars, J.; Unt, V.; Channon, SB; Weller, R. (2014-10-01). "Cinemática sagital distal de las extremidades dentro de la cápsula del casco capturada mediante fluoroscopia de alta velocidad en caballos al caminar y al trote" . The Veterinary Journal . 202 (1): 94– 98. doi : 10.1016/j.tvjl.2014.06.014 . PMID 25163612 . 
  7. 1 2 3 4 Miranda, Daniel L.; Schwartz, Joel B.; Loomis, Andrew C.; Brainerd, Elizabeth L.; Fleming, Braden C.; Crisco, Joseph J. (2011-12-21). "Error estático y dinámico de un sistema de videorradiografía biplanar utilizando técnicas de seguimiento con y sin marcadores" . Journal of Biomechanical Engineering . 133 (12): 121002. doi : 10.1115/1.4005471 . ISSN 0148-0731 . PMC 3267989. PMID 22206419 .   
  8. 1 2 Bauman, Jay M.; Chang, Young-Hui (2010-01-30). "El vídeo de rayos X de alta velocidad demuestra errores significativos en el movimiento de la piel con la cinemática óptica estándar durante la locomoción de la rata" . Journal of Neuroscience Methods . 186 (1): 18– 24. doi : 10.1016/j.jneumeth.2009.10.017 . PMC 2814909. PMID 19900476 .  
  9. ↑ Guan, S.; Gray, HA; Keynejad, F.; Pandy, MG (2016-01-01). "Sistema móvil de imágenes de rayos X biplano para medir el movimiento articular dinámico 3D durante la marcha sobre el suelo". IEEE Transactions on Medical Imaging . 35 (1): 326– 336. doi : 10.1109/TMI.2015.2473168 . ISSN 0278-0062 . PMID 26316030 . S2CID 5679052 .   
  10. 1 2 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 cambio de dirección con salto" . Medicine & Science in Sports & Exercise . 45 (5): 942– 951. doi : 10.1249/mss.0b013e31827bf0e4 . PMC 3594620. PMID 23190595 .  
  11. 1 2 Astley, Henry C.; Roberts, Thomas J. (2014-12-15). "La mecánica de la carga elástica y el retroceso en el salto de los anuros" . Journal of Experimental Biology . 217 (24): 4372– 4378. doi : 10.1242/jeb.110296 . ISSN 0022-0949 . PMID 25520385 .  
  12. ↑ 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 978-0-470-02731-8.
  13. ↑ Sharma, Gulshan B.; Kuntze, Gregor; Kukulski, Diane; Ronsky, Janet L. (2015-07-16). "Validación de las capacidades de un sistema de fluoroscopia dual para determinar la deformación de los tejidos blandos de la articulación de la rodilla in vivo: una estrategia para la gestión de errores de registro". Journal of Biomechanics . 48 (10): 2181– 2185. doi : 10.1016/j.jbiomech.2015.04.045 . ISSN 1873-2380 . PMID 26003485 .  
  14. ↑ Thorhauer, Eric; Tashman, Scott (1 de octubre de 2015). "Validación de un método para combinar radiografía biplanar e imágenes de resonancia magnética para estimar el contacto del cartílago de la rodilla" . Medical Engineering & Physics . 37 (10): 937– 947. doi : 10.1016/j.medengphy.2015.07.002 . ISSN 1873-4030 . PMC 4604050. PMID 26304232 .   
  15. ↑ Bey, Michael J.; Kline, Stephanie K.; Zauel, Roger; Lock, Terrence R.; Kolowich, Patricia A. (2008-01-01). " Medición de la cinemática dinámica in vivo de la articulación glenohumeral: técnica y resultados preliminares" . Journal of Biomechanics . 41 (3): 711– 714. doi : 10.1016/j.jbiomech.2007.09.029 . ISSN 0021-9290 . PMC 2288548. PMID 17996874 .   
  16. ↑ Bonnan, Matthew F.; Shulman, Jason; Varadharajan, Radha; Gilbert, Corey; Wilkes, Mary; Horner, Angela; Brainerd, Elizabeth (2016-03-02). "Cinemática de las extremidades anteriores de ratas usando XROMM, con implicaciones para los pequeños euterios y sus parientes fósiles" . PLOS ONE . 11 (3) e0149377. Bibcode : 2016PLoSO..1149377B . doi : 10.1371/journal.pone.0149377 . ISSN 1932-6203 . PMC 4775064. PMID 26933950 .   
  17. ↑ Gatesy, Stephen M. (1999-05-01). "Función de las extremidades posteriores de la gallina de Guinea. I: Análisis cineradiográfico y efectos de la velocidad" . Journal of Morphology . 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. S2CID 44168765 .   
  18. ↑ Kambic, Robert E.; Roberts, Thomas J.; Gatesy, Stephen M. (2014-08-01). "Rotación del eje longitudinal: un grado de libertad faltante en la locomoción bípeda aviar" . Journal of Experimental Biology . 217 (15): 2770– 2782. doi : 10.1242/jeb.101428 . ISSN 0022-0949 . PMID 24855675 .  
  19. ↑ Henderson, Sarah E.; Desai, Riddhi; Tashman, Scott; Almarza, Alejandro J. (2014-04-11). "Análisis funcional de la articulación temporomandibular del conejo mediante imágenes biplanares dinámicas" . Journal of Biomechanics . 47 (6): 1360– 1367. doi : 10.1016/j.jbiomech.2014.01.051 . ISSN 1873-2380 . PMC 4010254. PMID 24594064 .