Messung der 3D-In-vivo-Schulterkinematik mittels biplanarer Videoradiographie

Summary

Die Doppeldecker-Videoradiographie kann die Schulterkinematik mit hoher Genauigkeit quantifizieren. Das hierin beschriebene Protokoll wurde speziell entwickelt, um das Schulterblatt, den Humerus und die Rippen während der planaren Humeruserhöhung zu verfolgen, und skizziert die Verfahren zur Datenerfassung, -verarbeitung und -analyse. Einzigartige Überlegungen zur Datenerfassung werden ebenfalls beschrieben.

Abstract

Die Schulter ist eines der komplexesten Gelenksysteme des menschlichen Körpers, wobei die Bewegung durch die koordinierten Aktionen von vier einzelnen Gelenken, mehreren Bändern und etwa 20 Muskeln erfolgt. Leider sind Schulterpathologien (z. B. Rotatorenmanschettenrisse, Gelenkluxationen, Arthritis) häufig, was zu erheblichen Schmerzen, Behinderungen und verminderter Lebensqualität führt. Die spezifische Ätiologie für viele dieser pathologischen Zustände ist nicht vollständig verstanden, aber es ist allgemein anerkannt, dass die Schulterpathologie oft mit einer veränderten Gelenkbewegung verbunden ist. Leider ist die Messung der Schulterbewegung mit der notwendigen Genauigkeit, um bewegungsbasierte Hypothesen zu untersuchen, nicht trivial. Röntgenbasierte Bewegungsmesstechniken haben jedoch den Fortschritt gebracht, der notwendig ist, um bewegungsbasierte Hypothesen zu untersuchen und ein mechanistisches Verständnis der Schulterfunktion zu ermöglichen. Daher besteht der Zweck dieses Artikels darin, die Ansätze zur Messung der Schulterbewegung mit einem benutzerdefinierten biplanaren Videoradiographiesystem zu beschreiben. Die spezifischen Ziele dieses Artikels sind die Beschreibung der Protokolle zur Erfassung biplanarer Videoradiographiebilder des Schulterkomplexes, zur Erfassung von CT-Scans, zur Entwicklung von 3D-Knochenmodellen, zur Lokalisierung anatomischer Orientierungspunkte, zur Verfolgung der Position und Ausrichtung von Humerus, Schulterblatt und Rumpf aus den biplanaren Röntgenbildern und zur Berechnung der kinematischen Ergebnismessungen. Darüber hinaus wird der Artikel spezielle Überlegungen beschreiben, die für die Schulter bei der Messung der Gelenkkinematik mit diesem Ansatz einzigartig sind.

Introduction

Die Schulter ist eines der komplexesten Gelenksysteme des menschlichen Körpers, wobei die Bewegung durch die koordinierten Aktionen von vier einzelnen Gelenken, mehreren Bändern und etwa 20 Muskeln erfolgt. Die Schulter hat auch den größten Bewegungsumfang der wichtigsten Gelenke des Körpers und wird oft als Kompromiss zwischen Beweglichkeit und Stabilität beschrieben. Leider sind Schulterpathologien häufig, was zu erheblichen Schmerzen, Behinderungen und verminderter Lebensqualität führt. Zum Beispiel betreffen Rotatorenmanschettenrisse etwa 40% der Bevölkerung über 601,2,3 Jahre, wobei jährlich etwa 250.000 Rotatorenmanschettenreparaturen durchgeführt ^werden4 und eine geschätzte wirtschaftliche Belastung von 3-5 Milliarden US-Dollar pro Jahr in den Vereinigten ^Staaten5. Darüber hinaus sind Schulterluxationen häufig und oft mit chronischen Funktionsstörungen ^verbunden6. Schließlich ist glenohumerale Gelenkarthrose (OA) ein weiteres bedeutendes klinisches Problem, das die Schulter betrifft, wobei Bevölkerungsstudien zeigen, dass etwa 15% -20% der Erwachsenen über 65 Jahre röntgenologische Beweise für glenohumerale OA ^haben7,8. Diese Zustände sind schmerzhaft, beeinträchtigen das Aktivitätsniveau und verringern die Lebensqualität.

Obwohl die Erreger dieser Erkrankungen nicht vollständig verstanden werden, ist allgemein anerkannt, dass eine veränderte Schulterbewegung mit vielen Schulterpathologien assoziiert ist9,10,11. Insbesondere kann eine abnormale Gelenkbewegung zur Pathologie ^{beitragen9,12} oder dass die Pathologie zu einer abnormalen Gelenkbewegung führen ^kann13,14. Beziehungen zwischen Gelenkbewegung und Pathologie sind wahrscheinlich komplex, und subtile Veränderungen in der Gelenkbewegung können in der Schulter wichtig sein. Zum Beispiel, obwohl Winkelbewegung die vorherrschende Bewegung ist, die am Glenohumeralgelenk auftritt, treten Gelenkverschiebungen auch während der Schulterbewegung auf. Unter normalen Bedingungen überschreiten diese Translationen wahrscheinlich nicht mehrere Millimeter15,16,17,18,19 und können daher für einige Messtechniken unter dem Niveau der In-vivo-Genauigkeit liegen. Während es verlockend sein mag anzunehmen, dass kleine Abweichungen in der Gelenkbewegung wenig klinische Auswirkungen haben können, ist es auch wichtig zu erkennen, dass die kumulative Wirkung subtiler Abweichungen über Jahre der Schulteraktivität die Schwelle des Individuums für die Heilung und Reparatur von Gewebe überschreiten kann. Darüber hinaus sind In-vivo-Kräfte am Glenohumeralgelenk nicht belanglos. Unter Verwendung von kundenspezifisch instrumentierten Glenohumeralgelenkimplantaten haben frühere Studien gezeigt, dass das Anheben eines Gewichts von 2 kg auf Kopfhöhe mit einem ausgestreckten Arm zu glenohumeralen Gelenkkräften führen kann, die zwischen 70% und 238% des Körpergewichts liegen können20,21,22. Folglich kann die Kombination aus subtilen Veränderungen der Gelenkbewegung und hohen Kräften, die sich auf die kleine tragende Oberfläche des Glenoids konzentrieren, zur Entwicklung degenerativer Schulterpathologien beitragen.

In der Vergangenheit wurde die Messung der Schulterbewegung durch eine Vielzahl von experimentellen Ansätzen durchgeführt. Zu diesen Ansätzen gehörten der Einsatz komplexer Leichenprüfsysteme zur Simulation von Schulterbewegungen23,24,25,26,27, videobasierte Motion-Capture-Systeme mit Oberflächenmarkierungen28,29,31, oberflächenmontierte elektromagnetische Sensoren32,33,34,35 , Knochenstifte mit reflektierenden Markern oder anderen angebrachten Sensoren36,37,38, statische zweidimensionale medizinische Bildgebung (d.h. Fluoroskopie39,40,41 und Röntgenbilder17,42,43,44,45), statische dreidimensionale (3D) medizinische Bildgebung mit ^MRI46,47, ^{Computertomographie48} und dynamische 3D-Durchleuchtung in einer Ebene49,50,51. In jüngster Zeit haben tragbare Sensoren (z. B. Trägheitsmesseinheiten) zur Messung der Schulterbewegung außerhalb des Labors und unter freien Lebensbedingungen an Popularität gewonnen52,53,54,55,56,57.

In den letzten Jahren gab es eine Vielzahl von Doppeldecker-Röntgen- oder Fluoroskopsystemen, die entwickelt wurden, um dynamische 3D-In-vivo-Bewegungen der Schulter genau zu messen58,59,60,61,62. Der Zweck dieses Artikels ist es, den Ansatz der Autoren zur Messung der Schulterbewegung mit einem benutzerdefinierten biplanaren Videoradiographiesystem zu beschreiben. Die spezifischen Ziele dieses Artikels bestehen darin, die Protokolle zu beschreiben, um biplanare Videoradiographiebilder des Schulterkomplexes zu erfassen, CT-Scans zu erfassen, 3D-Knochenmodelle zu entwickeln, anatomische Landmarken zu lokalisieren, die Position und Orientierung von Humerus, Schulterblatt und Rumpf aus den biplanaren Röntgenbildern zu verfolgen und kinematische Ergebnismessungen zu berechnen.

Protocol

Vor der Datenerhebung erteilte der Teilnehmer eine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung. Die Untersuchung wurde vom Institutional Review Board von Henry Ford Health System genehmigt. Protokolle zum Erfassen, Verarbeiten und Analysieren von Doppeldecker-Röntgenbewegungsdaten hängen stark von den Bildgebungssystemen, der Datenverarbeitungssoftware und den Ergebnismessungen von Interesse ab. Das folgende Protokoll wurde speziell entwickelt, um das Schulterblatt, den Humerus und die dritte…

Representative Results

Eine 52-jährige asymptomatische Frau (BMI = 23,6 kg/m2) wurde im Rahmen einer früheren Untersuchung rekrutiert und an ihrer dominanten (rechten) Schulter einem Bewegungstest (koronale Flugzeugabduktion) unterzogen65. Vor der Datenerhebung erteilte der Teilnehmer eine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung. Die Untersuchung wurde vom Institutional Review Board von Henry Ford Health System genehmigt. Die Datenerfassung wurde mit dem zuvor beschriebenen Protokoll durchgeführt (<stro…

Discussion

Die hier beschriebene Technik überwindet mehrere Nachteile, die mit herkömmlichen Techniken zur Beurteilung der Schulterbewegung verbunden sind (z. B. Leichensimulationen, 2D-Bildgebung, statische 3D-Bildgebung, videobasierte Bewegungserfassungssysteme, tragbare Sensoren usw.), indem sie genaue Messungen der 3D-Gelenkbewegung während dynamischer Aktivitäten liefert. Die Genauigkeit des hierin beschriebenen Protokolls wurde für die Glenohumeralverbindung gegenüber dem Goldstandard der radiostereometrischen Analyse (…

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