Quantitative Analysis of Carpal Kinematics Using 3D Dynamic MRI

使用 3D 动态 MRI 定量分析腕骨运动学

基本信息

项目摘要

Project Summary/Abstract The wrist is a complex and versatile structure, which allows a substantial degree of three-dimensional motion. To adequately diagnose and treat carpal injuries, it is important to understand the basic science and clinical relevance of functional kinematics of the wrist. However, the analysis of carpal kinematics is challenging due to the multiplanar rotations and translations of the carpal bones, the irregularity of their shape, and the small magnitudes of movements. Most studies have been performed in vitro on cadaveric wrists, and in vivo approaches based on noninvasive imaging have been proposed only recently. Initial in vivo work used CT or MRI to obtain three-dimensional (3D) images of carpal bones at multiple static poses of the hand to reconstruct an animated movement pattern. Since true dynamic joint kinematics may deviate from its animated counterpart, more recent work has explored the possibility of real-time imaging during continuous wrist motion using 4D CT, fluoroscopy and two-dimensional (2D) dynamic MRI. However, these methods either involves ionizing radiation or cannot capture out-of-plane translations and rotations that occur even during relatively simple wrist movements, because of their 2D nature. In this project, we will develop a new technique for quantitative analysis of carpal kinematics based, for the first time, on 3D dynamic MRI acquisitions. We will develop a processing pipeline that will combine automated segmentation of the carpal bones and the extraction of their motion patterns during ulnar-radial deviation and flexion-extension of the wrist. We will conduct a pilot validation study on healthy volunteers and patients with clinical evidence of carpal instability, with the goal of characterizing normal wrist kinematics and identifying quantitative metrics to detect pathologic wrist conditions. We will also investigate an alternative imaging approach based on the combination of parallel MRI and compressed sensing to further accelerate the 3D dynamic MRI. Toward the end of the project, we will validate this new dynamic imaging technique to assess whether the improved temporal resolution is clinically significant for the analysis of carpal kinematics. Successful completion of this project will provide a new, 3D MRI-based technique for in vivo characterization and visualization of 3D skeletal kinematics, providing novel insights into normal wrist function and pathophysiology of wrist instability. Our proposed automated image processing pipeline will facilitate clinical translation. The ability to assess dynamic motion patterns will contribute to diagnosis, therapy, and prosthesis development for wrist disorders, enabling to evaluate the long-term effects of healing and surgical intervention. The proposed technique could also have an impact for the dynamic evaluation of other anatomical structures such as, for example, the ankle.
项目摘要/摘要 手腕是一种复杂且通用的结构,可以实现大量的三维运动。 为了充分诊断和治疗腕骨伤害,了解基础科学和临床很重要 手腕功能运动学的相关性。但是,由于 腕骨的多平台旋转和翻译,其形状的不规则性和小 运动的幅度。大多数研究都是在尸体手腕和体内进行体外进行的 仅最近就提出了基于非侵入性成像的方法。最初使用CT或 MRI获得手动多个静态姿势的腕骨的三维(3D)图像以重建 动画运动模式。由于真正的动态关节运动学可能会偏离其动画对应物,所以 最近的工作探索了使用4D CT连续腕运动期间实时成像的可能性, 荧光镜和二维(2D)动态MRI。但是,这些方法要么涉及电离辐射 或无法捕获平面外翻译和旋转,即使在相对简单的手腕期间也会发生 动作,由于其2D性质。在这个项目中,我们将开发一种新技术来定量分析 腕部运动学首次基于3D动态MRI获取。我们将开发一个处理 将结合腕骨的自动分割的管道及其运动模式的提取 在尺骨偏斜和手腕的弯曲延伸过程中。我们将对健康进行试点验证研究 具有腕骨不稳定临床证据的志愿者和患者,目的是表征正常手腕 运动学和识别定量指标以检测病理腕部状况。我们还将调查 基于平行MRI和压缩传感的组合以进一步的替代成像方法 加速3D动态MRI。在项目结束时,我们将验证这种新的动态成像 评估改进的时间分辨率的技术对于腕骨分析是否具有临床意义 运动学。该项目的成功完成将为体内提供一种新的基于3D MRI的技术 3D骨骼运动学的表征和可视化,为正常手腕功能提供新的见解 和手腕不稳定性的病理生理学。我们提议的自动图像处理管道将有助于临床 翻译。评估动态运动模式的能力将有助于诊断,治疗和假体 腕部疾病的发展,能够评估愈合和手术干预的长期影响。 所提出的技术还可能对其他解剖结构的动态评估产生影响 例如,例如脚踝。

项目成果

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