Development of an X-ray based rodent gait analysis system

Abstract

Nagetiere werden häufig als Modelltiere in der biomedizinischen Forschung eingesetzt, zum Beispiel im Rahmen von präklinischen Studien. Daher ist die Analyse der Fortbewegung von Nagetieren wie Mäusen oder Ratten ein wichtiger Bestandteil von wissenschaftlichen Studien in diesem und ähnlichen Forschungsgebieten. Allerdings besteht für die Anwendung von externen Markern bei der Ganganalyse das Problem, dass lose Haut und Fell die verlässliche Quantifizierung des Ganges hochgradig erschweren, während markerlose Ansätze diverse andere Nachteile aufweisen.Das Ziel dieser Diplomarbeit, die hauptsächlich an der Brown University (RI, USA) durchgeführt wurde, ist die Entwicklung eines neuen markerbasierten Ganganalysesystems auf der Grundlage von biplanaren Hochgeschwindigkeits-Fluoroskopie-Aufnahmen.Anstatt Marker extern anzubringen, wurde ein optimiertes Set an Markern, bestehend aus zwölf röntgendichten Marker-Kugeln mit einem Durchmesser von 0.26 mm, entwickelt und in das Weichgewebe der hinteren Gliedmaße von Mäusen injiziert. Für diese Injektionen wurden die zugehörigen Methoden und Techniken entwickelt.Um die schnellen Bewegungen kleiner Tiere wie Mäuse visualisieren zu können, wurden Verbesserungen am aktuellen Röntgensystem vorgenommen, die eine fünffache Steigerung der Präzision bewirkten. Dadurch konnte der Animations-Workflow XROMM (X-ray Reconstruction of Moving Morphology) weiterentwickelt werden, sodass die Entstehung von microXROMM (micro X-ray Reconstruction of Moving Morphology) ermöglicht wurde.Die Eigenschaft des Weichgewebes, die Marker zu ummanteln, wurde validiert, in dem die Migration der Marker im Gewebe von zehn Mäusen wöchentlich im Zeitrahmen von vier Wochen gemessen wurde. Dies ergab eine Bewegung mit einem Median von bis zu 0.28±0.0178 mm pro Woche für den Kniemarker und bis zu 0.50±0.0299 mm pro Woche für den Hüftmarker. Als unterstützendes Ergebnis wurde eine Sezierung vorgenommen, die zeigte, dass die Ummantelung auf eine nicht-pathologische Weise zustande gekommen war.Die Leistung des neuen Ganglabors für Mäuse während der Bewegung wurde überprüft, in dem die entwickelte 3D Strichfigur mit der Skelettkinematik der Knochen während simulierter Bewegung einer toten Maus verglichen wurde. Diese Validierung zeigte eine durchschnittliche Abweichung von 2.1 deg für den 3D inkludierten Winkel zwischen Tibia und Femur, und 1.4 deg für den 3D inkludierten Winkel zwischen Femur und Pelvis.Die entwickelte Methode ist daher für die potenzielle zukünftige Anwendung für Hochdurchsatz-Studien geeignet, da sie einen reproduzierbaren und unkomplizierten Zugang zu röntgenbasierter Ganganalyse von Nagetieren bietet.

Rodent models are extensively used in biomedical and comparative research, for example in the context of preclinical studies. Consequently, the analysis of rodent locomotion is an important measure for scientific studies in these research areas. However, loose skin and fur artifacts pose an issue for reliable gait quantification when using external markers, while markerless approaches are subject to other disadvantages.This thesis aims to develop a new marker-based rodent gait analysis system on the basis of high-speed biplanar X-ray fluoroscopy images. This project was mostly conducted at Brown University (RI, USA).Rather than attaching markers externally, an optimal marker set consisting of twelve radiopaque 0.26 mm marker beads was developed to be injected into the mouse hindlimb soft tissue. For this purpose, corresponding injection techniques were established.To enable the collection of fluoroscopy images of small animals such as mice and their high velocity movements, the current X-ray system settings were improved to yield a five-fold increase in precision. This facilitated advancements of the imaging workflow XROMM (X-ray Reconstruction of Moving Morphology) which enabled the establishment of microXROMM (micro X-ray Reconstruction of Moving Morphology). The soft tissue’s ability to encapsulate the markers was validated by measuring marker bead migration in ten mice weekly over the course of four weeks, yielding a median movement of up to 0.28±0.0178 mm per week for the knee marker and up to 0.50±0.0299 mm per week for the hip marker. A microdissection was conducted to complement the migration measurement results, showing the encapsulation takes place in a non-pathological manner.The performance of the novel mouse gait laboratory during movement was validated by comparing the generated 3D stick figure to bone motion during simulated movement of a dead mouse. This validation showed a mean deviation of 2.1 deg for the 3D included joint angle between tibia and femur, and 1.4 deg for the 3D included joint angle between femur and pelvis.The developed method is therefore suitable for potential future collaborators conducting high-throughput rodent studies, as it offers a reproducible and reasonably straight-forward approach to X-ray based rodent gait analysis.