X선 움직임 분석

X-ray motion analysis

X선 움직임 분석은 X선을 이용하여 물체의 움직임을 추적하는 데 사용되는 기법이다. 이는 이미징할 피사체를 X선 빔 중앙에 배치하고 영상강화기와 고속 카메라를 이용해 동작을 기록하는 방식으로 이뤄져 초당 여러 차례 샘플링된 고품질 영상이 가능하다. 이 기술은 엑스레이의 설정에 따라 뼈나 연골과 같은 물체의 특정 구조를 시각화할 수 있다. X선 움직임 분석은 보행 분석을 수행하거나 관절 움직임을 분석하거나 연조직에 가려진 뼈의 움직임을 기록하는 데 사용할 수 있다. 골격 운동을 측정하는 능력은 척추동물의 생체역학, 정력운동, 운동조절 등에 대한 이해의 핵심 측면이다.[1]

이미징 메서드

평면 X선 시스템.

플라나르

추가 정보: 형광 투시

많은 X선 연구가 단일 X선 방출기와 카메라로 수행된다. 이러한 유형의 영상을 통해 X선의 2차원 평면에서 움직임을 추적할 수 있다. 동작이 정확하게 추적될 수 있도록 카메라의 영상 평면에 평행하게 동작이 수행된다.[2] 걸음걸이 분석에서는 시상면에서 평면 X선 연구를 수행하여 큰 움직임의 매우 정확한 추적을 가능하게 한다.[3] 평면 X선 및 추적 대상의 모델로부터 이동 자유도의 모든 6도를 추정할 수 있는 방법이 개발되었다.[4][5]

러닝머신에서 쥐의 골격 움직임을 캡처하는 생물 평면 형광 투시 시스템 설정의 예.

비플라나르

몇몇 움직임이 진정으로 평면적이다;[2] 평면 X선 영상촬영은 대부분의 움직임을 포착할 수 있지만, 모든 움직임을 포착할 수는 없다. 3차원의 움직임을 모두 정확하게 포착하고 정량화하려면 바이오플래너 영상 시스템이 필요하다.[2] 많은 시설들이 X선 방출기 한 대에만 접근할 수 있기 때문에, Biplanar 영상촬영은 수행하기가 어렵다.[1] 두 번째 X선과 카메라 시스템이 추가되면서 영상 2-D 평면은 X선 빔의 교차점에서 3-D 볼륨의 이미지로 확장된다. 영상물의 부피는 두 개의 X선 빔의 교차점에 있기 때문에 전체적인 크기는 X선 방출기의 면적에 의해 제한된다.

추적 기법

참고 항목: 모션 캡쳐

마케레드

모션 캡처 기술은 종종 이미지 캡처를 위해 반사 마커를 사용한다. X선 영상에서는 X선 영상에서 불투명해 보이는 마커를 활용한다.[2] 이것은 종종 그 주제에 부착된 무선-불투명 구들을 사용하는 것을 포함한다. 마커는 피험자의 뼈에 이식될 수 있으며, 이 마커는 X선 영상에서 볼 수 있다.[6] 이 방법은 이식 시 수술 절차와 치료 기간이 있어야 대상자가 움직임 분석을 받을 수 있다. 정확한 3-D 추적을 위해서는 추적할 각 뼈에 최소 3개의 표지를 이식해야 한다.[7] 피부에 배치된 마커는 피부 이동 아티팩트에 민감하지만, 피험자의 피부에 마커를 배치하여 밑의 뼈의 움직임을 추적할 수도 있다. 이는 뼈 삽입 마커와 비교하여 피부 삽입 마커의 위치를 측정할 때의 오류다. 이는 피부 오버레이보다 연조직이 더 자유롭게 움직이는 위치에서 발생한다.[2][4][6][8] 그런 다음 마커는 X선 카메라를 기준으로 추적되고 모션은 로컬 해부학적 본체에 매핑된다.

마커리스

새로운 기법과 소프트웨어는 무선투명 표지를 사용하지 않고도 움직임을 추적할 수 있도록 하고 있다. 추적 중인 객체의 3-D 모델을 사용하여 객체를 각 프레임의 X선 비디오 영상에 오버레이할 수 있다.[7] 모델의 변환 및 회전은 마커 집합과 반대로 X선 카메라를 기준으로 추적된다.[7] 로컬 좌표계를 사용하여 이러한 번역과 회전을 표준 해부학적 이동에 매핑할 수 있다. 개체의 3-D 모델은 MRI나 CT 스캔과 같은 3-D 영상 기법에서 생성된다. 마커리스 트래킹은 수술로 인한 합병증을 피할 수 있는 비침습적 트래킹 방식이라는 장점이 있다. 한 가지 어려움은 동물 연구에서 3-D 모델을 생성하는 것으로부터 온다. 동물들은 진정제를 투여받거나 스캔을 위해 희생되어야 하기 때문이다.

분석

주요기사 : 운동학

평면 X선 영상에서 마커나 본체의 움직임은 특수 소프트웨어에서 추적된다. 초기 위치 추측은 사용자가 마커나 본체에 대해 제공한다. 소프트웨어는 기능에 따라 사용자가 비디오의 각 프레임에 대한 마커나 본체를 수동으로 찾거나 비디오 전체에서 위치를 자동으로 추적할 수 있도록 한다. 자동 추적은 정확성을 위해 모니터링되어야 하며 수동으로 마커나 본체를 재배치해야 할 수 있다. 각 마커 또는 관심 본문에 대한 추적 데이터가 생성된 후, 추적은 로컬 해부학적 본문에 적용된다. 예를 들어 엉덩이와 무릎에 위치한 마커는 대퇴골의 움직임을 추적할 것이다. 국소 해부학에 대한 지식을 이용하여 이러한 움직임은 X선 평면에서 해부학적 운동 용어로 번역될 수 있다.[2]

바이플라나 X선 영상에서는 동작이 전문화된 소프트웨어에서도 추적된다. 평면 분석과 마찬가지로 사용자는 초기 위치 추정을 제공하고 마커나 본체를 수동으로 추적하거나 소프트웨어가 자동으로 추적할 수 있다. 그러나 생물 평면 분석에서는 모든 추적을 두 비디오 프레임에서 동시에 수행하여 물체를 자유 공간에 배치해야 한다. 두 개의 X선 카메라는 알려진 부피의 물체를 사용하여 보정해야 한다. 이것은 소프트웨어가 서로 상대적인 카메라의 위치를 찾을 수 있게 하고 사용자가 두 비디오 프레임에 맞춰 물체의 3-D 모델을 위치시킬 수 있게 해준다. 추적 데이터는 각 마커 또는 본문에 대해 생성된 다음 로컬 해부학적 본문에 적용된다. 추적 데이터는 자유 공간에서 해부학적 이동 용어로 정의된다.[7]

적용들

X선 운동 분석은 인간의 걸음걸이 분석에 사용되어 하퇴부의 운동학적 운동을 측정할 수 있다. 러닝머신 보행 또는 지상 보행은[9] X선 시스템의 이동성에 따라 측정할 수 있다. 점프 컷 기동과 같은 다른 형태의 움직임도 기록되어 있다.[10] X선 움직임 분석을 힘 플랫폼과 결합하면 공동 토크 분석을 수행할 수 있다.[10][11] 재활은 X선 움직임 분석의 중요한 응용이다. X선 영상촬영은 1895년 발견 직후부터 의학 진단 목적으로 사용되어 왔으며,[12] X선 움직임 분석은 관절 영상촬영이나 관절 관련 질환 분석에 활용할 수 있다. 무릎 골관절염을 정량화하고,[13] 무릎 연골 접촉 부위를 추정하며,[14][15] 어깨관절을 영상화하여 회전근개 보수 결과를 분석하는 데 사용되어 왔다.

동물의 움직임도 엑스레이 영상으로 분석할 수 있다. 동물을 엑스레이 방출기와 카메라 사이에 배치할 수 있는 한 피사체는 이미징될 수 있다. 지금까지 연구된 게트의 예로는 쥐,[8][16] 기니폴,[17] 말,[6] 두발 새,[18] 개구리 등이 있다.[11] 운동과는 별도로 X선 운동 분석은 돼지 젖꼭지[2] 및 토끼의 고환관절 이동과 같은 다른 이동 형태학적 분석의 연구와 연구에 활용되었다.[19]

참고 항목

참조

  1. ^ a b Gatesy, Stephen M.; Baier, David B.; Jenkins, Farish A.; Dial, Kenneth P. (2010-06-01). "Scientific rotoscoping: a morphology-based method of 3-D motion analysis and visualization". Journal of Experimental Zoology Part A. 313 (5): 244–261. doi:10.1002/jez.588. ISSN 1932-5231. PMID 20084664.
  2. ^ a b c d e f g Brainerd, Elizabeth L.; Baier, David B.; Gatesy, Stephen M.; Hedrick, Tyson L.; Metzger, Keith A.; Gilbert, Susannah L.; Crisco, Joseph J. (2010-06-01). "X-ray reconstruction of moving morphology (XROMM): precision, accuracy and applications in comparative biomechanics research". Journal of Experimental Zoology Part A. 313 (5): 262–279. doi:10.1002/jez.589. ISSN 1932-5231. PMID 20095029.
  3. ^ You, B. M.; Siy, P.; Anderst, W.; Tashman, S. (2001-06-01). "In vivo measurement of 3-D skeletal kinematics from sequences of biplane radiographs: application to knee kinematics". 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. ^ a b Banks, S. A.; Hodge, W. A. (1996-06-01). "Accurate measurement of three-dimensional knee replacement kinematics using single-plane fluoroscopy". 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. (2005-01-27). "Theoretical Accuracy of Model-Based Shape Matching for Measuring Natural Knee Kinematics with Single-Plane Fluoroscopy". Journal of Biomechanical Engineering. 127 (4): 692–699. doi:10.1115/1.1933949. ISSN 0148-0731. PMC 1635456. PMID 16121540.
  6. ^ a b c Roach, J. M.; Pfau, T.; Bryars, J.; Unt, V.; Channon, S. B.; Weller, R. (2014-10-01). "Sagittal distal limb kinematics inside the hoof capsule captured using high-speed fluoroscopy in walking and trotting horses". The Veterinary Journal. 202 (1): 94–98. doi:10.1016/j.tvjl.2014.06.014. PMID 25163612.
  7. ^ a b c d Miranda, Daniel L.; Schwartz, Joel B.; Loomis, Andrew C.; Brainerd, Elizabeth L.; Fleming, Braden C.; Crisco, Joseph J. (2011-12-21). "Static and Dynamic Error of a Biplanar Videoradiography System Using Marker-Based and Markerless Tracking Techniques". Journal of Biomechanical Engineering. 133 (12): 121002. doi:10.1115/1.4005471. ISSN 0148-0731. PMC 3267989. PMID 22206419.
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  9. ^ Guan, S.; Gray, H. A.; Keynejad, F.; Pandy, M. G. (2016-01-01). "Mobile Biplane X-Ray Imaging System for Measuring 3D Dynamic Joint Motion During Overground Gait". IEEE Transactions on Medical Imaging. 35 (1): 326–336. doi:10.1109/TMI.2015.2473168. ISSN 0278-0062. PMID 26316030. S2CID 5679052.
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