Biplanar Videoradiography का उपयोग कर 3 डी इन-विवो शोल्डर कीनेमेटिक्स को मापना
Summary
Biplane videoradiography सटीकता की एक उच्च डिग्री के साथ कंधे कीनेमेटीक्स की मात्रा निर्धारित कर सकते हैं। यहां वर्णित प्रोटोकॉल को विशेष रूप से प्लानर ह्यूमरल ऊंचाई के दौरान स्कैपुला, ह्यूमरस और पसलियों को ट्रैक करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, और डेटा संग्रह, प्रसंस्करण और विश्लेषण के लिए प्रक्रियाओं को रेखांकित करता है। डेटा संग्रह के लिए अद्वितीय विचारों का भी वर्णन किया गया है।
Abstract
कंधे मानव शरीर की सबसे जटिल संयुक्त प्रणालियों में से एक है, जिसमें चार व्यक्तिगत जोड़ों, कई स्नायुबंधन और लगभग 20 मांसपेशियों के समन्वित कार्यों के माध्यम से गति होती है। दुर्भाग्य से, कंधे की विकृति (उदाहरण के लिए, रोटेटर कफ आँसू, संयुक्त अव्यवस्था, गठिया) आम हैं, जिसके परिणामस्वरूप पर्याप्त दर्द, विकलांगता और जीवन की गुणवत्ता में कमी आई है। इन पैथोलॉजिकल स्थितियों में से कई के लिए विशिष्ट एटियलजि पूरी तरह से समझा नहीं गया है, लेकिन यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि कंधे की विकृति अक्सर परिवर्तित संयुक्त गति से जुड़ी होती है। दुर्भाग्य से, गति-आधारित परिकल्पनाओं की जांच करने के लिए सटीकता के आवश्यक स्तर के साथ कंधे की गति को मापना तुच्छ नहीं है। हालांकि, रेडियोग्राफिक-आधारित गति माप तकनीकों ने गति-आधारित परिकल्पनाओं की जांच करने और कंधे के कार्य की एक यांत्रिक समझ प्रदान करने के लिए आवश्यक प्रगति प्रदान की है। इस प्रकार, इस लेख का उद्देश्य एक कस्टम biplanar videoradiography प्रणाली का उपयोग करके कंधे की गति को मापने के लिए दृष्टिकोण का वर्णन करना है। इस लेख के विशिष्ट उद्देश्यों को कंधे परिसर के biplanar videoradiographic छवियों को प्राप्त करने के लिए प्रोटोकॉल का वर्णन करने के लिए कर रहे हैं, सीटी स्कैन प्राप्त, 3 डी हड्डी मॉडल विकसित, शारीरिक स्थलों का पता लगाने, स्थिति और biplanar रेडियोग्राफिक छवियों से humerus, scapula, और धड़ की अभिविन्यास को ट्रैक करने के लिए, और कीनेमेटिक परिणाम उपायों की गणना. इसके अलावा, लेख इस दृष्टिकोण का उपयोग करके संयुक्त कीनेमैटिक्स को मापते समय कंधे के लिए अद्वितीय विशेष विचारों का वर्णन करेगा।
Introduction
कंधे मानव शरीर की सबसे जटिल संयुक्त प्रणालियों में से एक है, जिसमें चार व्यक्तिगत जोड़ों, कई स्नायुबंधन और लगभग 20 मांसपेशियों के समन्वित कार्यों के माध्यम से गति होती है। कंधे में शरीर के प्रमुख जोड़ों की गति की सबसे बड़ी सीमा भी होती है और इसे अक्सर गतिशीलता और स्थिरता के बीच एक समझौते के रूप में वर्णित किया जाता है। दुर्भाग्य से, कंधे की विकृति आम है, जिसके परिणामस्वरूप पर्याप्त दर्द, विकलांगता और जीवन की गुणवत्ता में कमी आई है। उदाहरण के लिए, रोटेटर कफ आँसू 601,2,3 वर्ष से अधिक उम्र की आबादी के लगभग 40% को प्रभावित करते हैं, जिसमें लगभग 250,000 रोटेटर कफ मरम्मत सालाना की जाती है4, और संयुक्त राज्य अमेरिका में प्रति वर्ष $ 3-5 बिलियन का अनुमानित आर्थिक बोझ। इसके अतिरिक्त, कंधे के विस्थापन आम हैं और अक्सर पुरानी शिथिलता 6 के साथ जुड़े होते हैं। अंत में, ग्लेनोहुमरल संयुक्त पुराने ऑस्टियोआर्थराइटिस (ओए) कंधे से जुड़ी एक और महत्वपूर्ण नैदानिक समस्या है, जिसमें जनसंख्या अध्ययनों से संकेत मिलता है कि 65 वर्ष से अधिक उम्र के लगभग 15% -20% वयस्कों में ग्लेनोहुमरल ओए 7, 8 के रेडियोग्राफिक सबूत हैं। ये स्थितियां दर्दनाक हैं, गतिविधि के स्तर को खराब करती हैं, और जीवन की गुणवत्ता को कम करती हैं।
यद्यपि इन स्थितियों के रोगजनन को पूरी तरह से समझा नहीं गया है, यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि परिवर्तित कंधे की गति कई कंधे की विकृति 9,10,11 से जुड़ी हुई है। विशेष रूप से, असामान्य संयुक्त गति पैथोलॉजी 9,12 में योगदान कर सकती है, या यह कि विकृति असामान्य संयुक्त गति 13,14 का कारण बन सकती है। संयुक्त गति और विकृति विज्ञान के बीच संबंधों की संभावना जटिल है, और संयुक्त गति में सूक्ष्म परिवर्तन कंधे में महत्वपूर्ण हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, हालांकि कोणीय गति ग्लेनोहुमरल संयुक्त पर होने वाली प्रमुख गति है, संयुक्त अनुवाद कंधे की गति के दौरान भी होते हैं। सामान्य परिस्थितियों में ये अनुवाद संभवतः कई मिलीमीटर 15,16,17,18,19 से अधिक नहीं होते हैं, और इसलिए कुछ माप तकनीकों के लिए इन-विवो सटीकता के स्तर से नीचे हो सकते हैं। हालांकि यह मानने के लिए मोहक हो सकता है कि संयुक्त गति में छोटे विचलन का थोड़ा नैदानिक प्रभाव हो सकता है, यह भी पहचानना महत्वपूर्ण है कि कंधे की गतिविधि के वर्षों में सूक्ष्म विचलन का संचयी प्रभाव ऊतक उपचार और मरम्मत के लिए व्यक्ति की दहलीज से अधिक हो सकता है। इसके अलावा, ग्लेनोहुमरल संयुक्त पर इन-विवो बल असंगत नहीं हैं। कस्टम इंस्ट्रूमेंटेड ग्लेनोहुमरल संयुक्त प्रत्यारोपण का उपयोग करते हुए, पिछले अध्ययनों से पता चला है कि एक विस्तारित हाथ के साथ सिर की ऊंचाई पर 2 किलोग्राम वजन बढ़ाने के परिणामस्वरूप ग्लेनोहुमरल संयुक्त बल हो सकते हैं जो शरीर के वजन के 70% से 238% तक हो सकते हैं20,21,22। नतीजतन, संयुक्त गति में सूक्ष्म परिवर्तनों और ग्लेनोइड के छोटे लोड-असर सतह क्षेत्र पर केंद्रित उच्च बलों का संयोजन अपक्षयी कंधे विकृति के विकास में योगदान कर सकता है।
ऐतिहासिक रूप से, कंधे की गति का माप विभिन्न प्रयोगात्मक दृष्टिकोणों के माध्यम से पूरा किया गया है। इन दृष्टिकोणों में कंधे की गति का अनुकरण करने के लिए डिज़ाइन किए गए जटिल कैडेवरिक परीक्षण प्रणालियों का उपयोग शामिल है23,24,25,26,27, सतह मार्करों के साथ वीडियो-आधारित गति कैप्चर सिस्टम28,29,31, सतह-घुड़सवार विद्युत चुम्बकीय सेंसर32,33,34,35 , प्रतिबिंबित मार्करों या अन्य सेंसर संलग्न 36,37,38, स्थिर दो आयामी चिकित्सा इमेजिंग (यानी, fluoroscopy39,40,41 और radiographs17,42,43,44,45), स्थिर तीन आयामी (3 डी) एमआरआई 46,47 का उपयोग कर चिकित्सा इमेजिंग के साथ हड्डी पिन, गणना टोमोग्राफी48, और गतिशील, 3 डी एकल विमान फ्लोरोस्कोपिक इमेजिंग49,50,51। हाल ही में, पहनने योग्य सेंसर (उदाहरण के लिए, जड़त्वीय माप इकाइयों) ने प्रयोगशाला सेटिंग के बाहर कंधे की गति को मापने के लिए लोकप्रियता हासिल की है और मुक्त रहने की स्थिति में 52,53,54,55,56,57।
हाल के वर्षों में, बाईप्लेन रेडियोग्राफिक या फ्लोरोस्कोपिक सिस्टम का प्रसार हुआ है, जो कंधे 58,59,60,61,62 के गतिशील, 3 डी इन-विवो गतियों को सटीक रूप से मापने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस लेख का उद्देश्य एक कस्टम biplanar videoradiography प्रणाली का उपयोग करके कंधे की गति को मापने के लिए लेखकों के दृष्टिकोण का वर्णन करना है। इस लेख के विशिष्ट उद्देश्यों को कंधे परिसर के biplanar videoradiographic छवियों को प्राप्त करने के लिए प्रोटोकॉल का वर्णन करने के लिए कर रहे हैं, सीटी स्कैन प्राप्त, 3 डी हड्डी मॉडल विकसित, शारीरिक स्थलों का पता लगाने, स्थिति और अभिविन्यास को ट्रैक करने के लिए ह्यूमरस, स्कैपुला, और धड़ biplanar रेडियोग्राफिक छवियों से, और कीनेमेटिक परिणाम उपायों की गणना.
Protocol
Representative Results
Discussion
यहां वर्णित तकनीक गतिशील गतिविधियों के दौरान 3 डी संयुक्त गति के सटीक उपाय प्रदान करके कंधे की गति (यानी, कैडेवरिक सिमुलेशन, 2 डी इमेजिंग, स्थैतिक 3 डी इमेजिंग, वीडियो-आधारित मोशन कैप्चर सिस्टम, पहनने योग?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस प्रकाशन में रिपोर्ट किए गए शोध को राष्ट्रीय गठिया और मस्कुलोस्केलेटल और त्वचा रोग संस्थान द्वारा पुरस्कार संख्या R01AR051912 के तहत समर्थित किया गया था। सामग्री पूरी तरह से लेखकों की जिम्मेदारी है और जरूरी नहीं कि राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान (एनआईएच) के आधिकारिक विचारों का प्रतिनिधित्व करे।
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 |
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