Измерение 3D In-vivo Кинематика плеча с помощью бипланарной видеорадиографии

Summary

Бипланная видеорадиография может количественно определять кинематику плеча с высокой степенью точности. Протокол, описанный в настоящем описании, был специально разработан для отслеживания лопатки, плечевой кости и ребер во время плоского подъема плечевой кости и описывает процедуры сбора, обработки и анализа данных. Также описываются уникальные соображения по сбору данных.

Abstract

Плечо является одной из самых сложных суставных систем человеческого организма, с движением, происходящим через скоординированные действия четырех отдельных суставов, нескольких связок и примерно 20 мышц. К сожалению, патологии плеча (например, разрывы вращательной манжеты, вывихи суставов, артрит) являются распространенными, что приводит к значительной боли, инвалидности и снижению качества жизни. Специфическая этиология для многих из этих патологических состояний не до конца понятна, но общепризнано, что патология плеча часто связана с измененным движением сустава. К сожалению, измерение движения плеча с необходимым уровнем точности для исследования гипотез, основанных на движении, не является тривиальным. Тем не менее, радиографические методы измерения движения обеспечили прогресс, необходимый для исследования гипотез на основе движения и обеспечения механистического понимания функции плеча. Таким образом, целью данной статьи является описание подходов к измерению движения плеча с помощью пользовательской бипланарной видеорадиографической системы. Конкретными задачами данной статьи являются описание протоколов получения бипланарных видеорадиографических изображений плечевого комплекса, получение компьютерной томографии, разработка 3D-моделей костей, определение анатомических ориентиров, отслеживание положения и ориентации плечевой кости, лопатки и туловища по бипланарным рентгенографическим изображениям и расчет кинематических показателей результатов. Кроме того, в статье будут описаны особые соображения, присущие плечу при измерении кинематики суставов с использованием этого подхода.

Introduction

Плечо является одной из самых сложных суставных систем человеческого организма, с движением, происходящим через скоординированные действия четырех отдельных суставов, нескольких связок и примерно 20 мышц. Плечо также имеет наибольший диапазон движения основных суставов тела и часто описывается как компромисс между подвижностью и стабильностью. К сожалению, патологии плеча распространены, что приводит к значительной боли, инвалидности и снижению качества жизни. Например, разрывы ротаторной манжеты затрагивают около 40% населения в возрасте старше ^601,2,3 лет, при этом ежегодно выполняется около 250 000 ремонтов ротаторных манжет4, а экономическое бремя в Соединенных Штатах составляет 3-5 миллиардов долларов в ^год5. Кроме того, вывихи плеча распространены и часто связаны с хронической ^{дисфункцией6}. Наконец, остеоартрит плечевого сустава (ОА) является еще одной значительной клинической проблемой, связанной с плечом, причем популяционные исследования показывают, что примерно 15-20% взрослых в возрасте старше 65 лет имеют рентгенологические доказательства гленогечевого ^ОА7,8. Эти состояния болезненны, ухудшают уровень активности и снижают качество жизни.

Хотя патогенезы этих состояний до конца не изучены, общепризнано, что измененное движение плеча связано со многими патологиями плеча9,10,11. В частности, аномальное движение сустава может способствовать ^{патологии9,12} или что патология может привести к аномальному движению ^{сустава13,14}. Отношения между движением суставов и патологией, вероятно, сложны, и тонкие изменения в движении сустава могут быть важны в плече. Например, хотя угловое движение является преобладающим движением, происходящим в плечевом суставе, суставные трансляции также происходят во время движения плеча. В нормальных условиях эти переводы, вероятно, не превышают нескольких миллиметров15,16,17,18,19, и поэтому могут быть ниже уровня точности in-vivo для некоторых методов измерения. Хотя может быть заманчиво предположить, что небольшие отклонения в движении суставов могут иметь небольшое клиническое воздействие, важно также признать, что кумулятивный эффект тонких отклонений в течение многих лет активности плеча может превышать порог человека для заживления и восстановления тканей. Кроме того, силы in vivo в плетеностном суставе не являются несущественными. Используя специальные инструментальные имплантаты плетеногечевого сустава, предыдущие исследования показали, что повышение веса 2 кг до высоты головы с вытянутой рукой может привести к силам плесневому сустава, которые могут варьироваться от 70% до 238% массы тела20,21,22. Следовательно, сочетание тонких изменений в движении суставов и высоких сил, сосредоточенных над небольшой площадью несущей поверхности гленоида, может способствовать развитию дегенеративных патологий плеча.

Исторически сложилось так, что измерение движения плеча осуществлялось с помощью различных экспериментальных подходов. Эти подходы включали использование сложных трупных испытательных систем, предназначенных для моделирования движения плеча23,24,25,26,27, систем захвата движения на основе видео с поверхностными маркерами28,29,31, поверхностных электромагнитных датчиков32,33,34,35 , костные штифты с прикрепленными отражающими маркерами или другими ^{датчиками36,37,38}, статическая двумерная медицинская визуализация (т.е. рентгеноскопия39,40,41 и рентгенограммы17,42,43,44,45), статическая трехмерная (3D) медицинская визуализация с использованием ^МРТ46,47, компьютерная ^{томография48}, и динамическая, 3D одноплоскостная флюороскопическая визуализация49,50,51. В последнее время носимые датчики (например, инерциальные единицы измерения) приобрели популярность для измерения движения плеч вне лабораторных условий и в условиях свободного проживания52,53,54,55,56,57.

В последние годы наблюдается распространение бипланных рентгенографических или флюороскопических систем, предназначенных для точного измерения динамических 3D-движений плеча in vivo58,59,60,61,62. Целью данной статьи является описание авторского подхода к измерению движения плеча с помощью пользовательской бипланарной видеорадиографической системы. Конкретными задачами данной статьи являются описание протоколов получения бипланарных видеорадиографических изображений плечевого комплекса, получение компьютерной томографии, разработка 3D-моделей костей, определение анатомических ориентиров, отслеживание положения и ориентации плечевой кости, лопатки и туловища по бипланарным рентгенографическим изображениям и расчет кинематических показателей результатов.

Protocol

Перед сбором данных участник предоставил письменное информированное согласие. Расследование было одобрено Советом по институциональному обзору системы здравоохранения Генри Форда. Протоколы получения, обработки и анализа рентгенографических данных о движении бипла?…

Representative Results

52-летняя бессимптомная женщина (ИМТ = 23,6 кг/м2) была набрана в рамках предыдущего расследования и прошла тестирование движения (корональное похищение плоскости) на своем доминирующем (правом) плече65. Перед сбором данных участник предоставил письменное информированно?…

Discussion

Метод, описанный здесь, преодолевает несколько недостатков, связанных с традиционными методами оценки движения плеча (например, трупное моделирование, 2D-визуализация, статическая 3D-визуализация, системы захвата движения на основе видео, носимые датчики и т. Д.), Обеспечивая точные изме?…

Materials

Calibration cube	Built in-house	N/A	10 cm Lucite box with a tantalum bead in each corner and four additional beads midway along the box’s vertical edges (12 beads total). The positions of each bead are precisely known relative to a corner of the box that serves as the origin of the laboratory coordinate system.
Distortion correction grid	Built in-house	N/A	Lucite sheet that covers the entire face of the 16 inch image intensifier and contains an orthogonal array of tantalum beads spaced at 1 cm.
ImageJ	National Institutes of Health	N/A	Image processing software used to prepare TIFF stack of bone volumes.
Markerless Tracking Workbench	Custom, in house software	N/A	A workbench of custom software used to digitize anatomical landmarks on 3D bone models, constructs anatomical coordinate systems, uses intensity-based image registration to perform markerless tracking, and calculates and visualize kinematic outcomes measures.
MATLAB	Mathworks, Inc	N/A	Computer programming software. For used to perform data processing and analysis.
Mimics (version 20)	Materialise, Inc	N/A	Image processing software used to segment humerus, scapula, and ribs from CT scan.
Open Inventor	Thermo Fisher Scientific	N/A	3D graphics program used to visualize bones
Phantom Camera Control (PCC) software (version 3.4)		N/A	Software for specifying camera parameters, and acquiring and saving radiographic images
Pulse generator (Model 9514)	Quantum Composers, Inc.	N/A	Syncs the x-ray and camera systems and specifies the exposure time
Two 100 kW pulsed x-ray generators (Model CPX 3100CV)	EMD Technologies	N/A	Generates the x-rays used to produce radiographic images
Two 40 cm image intensifiers (Model P9447H110)	North American Imaging	N/A	Converts x-rays into photons to produce visible image
Two Phantom VEO 340 cameras	Vision Research	N/A	High speed cameras record the visible image created by the x-ray system