In vivo Quantification de l’arthrokinématique de la hanche pendant les activités de port de poids dynamiques à l’aide de la double fluoroscopie
Summary
La double fluoroscopie capture avec précision le mouvement dynamique in vivo des articulations humaines, qui peut être visualisé par rapport à l’anatomie reconstruite (par exemple, l’arthrococinematique). Ici, un protocole détaillé pour quantifier l’arthrocinématique de la hanche pendant les activités portantes de la vie quotidienne est présenté, y compris l’intégration de la double fluoroscopie avec la capture de mouvement traditionnelle du marqueur cutané.
Abstract
Plusieurs pathologies de la hanche ont été attribuées à une morphologie anormale avec une hypothèse sous-jacente de biomécanique aberrante. Cependant, les relations structure-fonction au niveau articulaire restent difficiles à quantifier en raison des difficultés à mesurer avec précision le mouvement dynamique des articulations. Les erreurs d’artefact des tissus mous inhérentes à la capture optique du mouvement des marqueurs cutanés sont exacerbées par la profondeur de l’articulation de la hanche dans le corps et la grande masse de tissus mous entourant l’articulation. Ainsi, la relation complexe entre la forme osseuse et la cinématique de l’articulation de la hanche est plus difficile à étudier avec précision que dans d’autres articulations. Ici, un protocole incorporant la tomodensitométrie (CT), la reconstruction tridimensionnelle (3D) d’images volumétriques, la double fluoroscopie et la capture de mouvement optique pour mesurer avec précision le mouvement dynamique de l’articulation de la hanche est présenté. Les études techniques et cliniques qui ont appliqué la double fluoroscopie pour étudier les relations forme-fonction de la hanche à l’aide de ce protocole sont résumées, et les étapes spécifiques et les considérations futures pour l’acquisition, le traitement et l’analyse des données sont décrites.
Introduction
Le nombre total d’interventions d’arthroplastie de la hanche (THA) effectuées chez des adultes âgés de 45 à 64 ans souffrant d’arthrose de la hanche (OA) a plus que doublé entre 2000 et 20101. Sur la base de l’augmentation des procédures THA de 2000 à 2014, une étude récente a prédit que le nombre total de procédures annuelles pourrait tripler au cours des vingt prochaines années2. Ces fortes augmentations des procédures THA sont alarmantes étant donné que les coûts actuels du traitement dépassent 18 milliards de dollars par an aux États-Unis seulement3.
La dysplasie développementale de la hanche (DDH) et le syndrome d’impingement fémoro-acétabliculaire (FAIS), qui décrivent respectivement une hanche sous-contrainte ou sur-contrainte, sont considérés comme la principale étiologie de l’arthrose de la hanche4. La forte prévalence de ces déformations structurelles de la hanche chez les personnes subissant une THA a été décrite pour la première fois il y a plus de trois décennies5. Pourtant, la relation entre l’anatomie anormale de la hanche et l’arthrose n’est pas bien comprise. L’un des défis à relever pour améliorer la compréhension pratique du rôle des déformations dans le développement de l’arthrose de la hanche est que la morphologie anormale de la hanche est très fréquente chez les adultes asymptomatiques. Notamment, des études ont observé la morphologie associée au FAIS de type cam chez environ 35% de la population générale6,83% des athlètes seniors7, et plus de 95% des athlètes masculins collégiaux8. Dans une autre étude portant sur des athlètes collégiales féminines, 60% des participantes avaient des preuves radiographiques de CAM FAIS, et 30% avaient des preuves de DDH9.
Des études démontrant une prévalence élevée de déformations chez les personnes sans douleur à la hanche indiquent la possibilité que la morphologie couramment associée au FAIS et à la DDH puisse être une variante naturelle qui ne devient symptomatique que dans certaines conditions. Cependant, l’interaction entre l’anatomie de la hanche et la biomécanique de la hanche n’est pas bien comprise. Notamment, il existe des difficultés connues avec la mesure du mouvement de l’articulation de la hanche à l’aide de la technologie de capture de mouvement optique traditionnelle. Tout d’abord, l’articulation est relativement profonde dans le corps, de sorte que l’emplacement du centre de l’articulation de la hanche est difficile à identifier et à suivre dynamiquement à l’aide de la capture de mouvement de marqueur de peau optique, avec des erreurs du même ordre de grandeur que le rayon de la tête fémorale10,11. Deuxièmement, l’articulation de la hanche est entourée d’un gros volume de tissus mous, y compris la graisse et le muscle sous-cutanés, qui se déplacent par rapport à l’os sous-jacent, ce qui entraîne un artefact des tissus mous12,13,14. Enfin, en utilisant le suivi optique des marqueurs cutanés, la cinématique est évaluée par rapport à l’anatomie généralisée et ne fournit donc pas d’informations sur la façon dont les différences morphologiques subtiles pourraient affecter la biomécanique de l’articulation.
Pour remédier au manque de cinématique précise en combinaison avec la morphologie osseuse spécifique au sujet, des systèmes de fluoroscopie simple et double ont été développés pour analyser d’autres systèmes articulaires naturels15,16,17. Cependant, cette technologie n’a été appliquée que récemment à l’articulation native de la hanche, probablement en raison de la difficulté d’acquérir des images de haute qualité à travers les tissus mous entourant la hanche. La méthodologie permettant de mesurer avec précision le mouvement in vivo de l’articulation de la hanche et d’afficher ce mouvement par rapport à l’anatomie osseuse spécifique au sujet est décrite ici. L’arthrokinématique qui en résulte offre une capacité inégalée à étudier l’interaction subtile entre la morphologie osseuse et la biomécanique.
Ici, les procédures d’acquisition et de traitement des images de double fluoroscopie de la hanche pendant les activités de la vie quotidienne ont été décrites. En raison du désir de capturer la cinématique du corps entier avec le suivi des marqueurs optiques simultanément avec deux images de fluoroscopie, le protocole de collecte de données nécessite une coordination entre plusieurs sources de données. L’étalonnage du système de double fluoroscopie utilise des structures en plexiglas implantées avec des perles métalliques qui peuvent être directement identifiées et suivies en tant que marqueurs. En revanche, le mouvement dynamique des os est suivi à l’aide d’un suivi sans marqueur, qui utilise uniquement la densité radiographique des os basée sur la totmétrie pour définir l’orientation. Le mouvement dynamique est ensuite suivi simultanément à l’aide de données de double fluoroscopie et de capture de mouvement qui sont synchronisées spatialement et temporellement.
Les systèmes sont synchronisés spatialement pendant l’étalonnage grâce à l’imagerie simultanée d’un cube avec des marqueurs réfléchissants et des perles métalliques implantées et la génération d’un système de coordonnées commun. Les systèmes sont synchronisés temporellement pour chaque activité ou capture grâce à l’utilisation d’un déclencheur électronique fractionné, qui envoie un signal pour mettre fin à l’enregistrement des deux caméras de fluoroscopie et interrompt une entrée constante de 5 V au système de capture de mouvement. Ce protocole coordonné permet de quantifier la position des segments du corps qui se situent en dehors du champ de vision combiné du système de double fluoroscopie, l’expression des résultats cinématiques par rapport aux événements normalisés par la marche et la caractérisation de la déformation des tissus mous autour du fémur et du bassin.
Protocol
Representative Results
Discussion
La double fluoroscopie est un outil puissant pour l’étude de la cinématique in vivo, en particulier pour la hanche, qui est difficile à mesurer avec précision à l’aide de la capture de mouvement optique traditionnelle. Cependant, l’équipement de fluoroscopie est spécialisé, dans lequel une configuration de système unique peut être nécessaire lors de l’imagerie d’autres articulations du corps humain. Par exemple, plusieurs modifications ont été apportées au montage des intensificateurs d?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été soutenue par les National Institutes of Health (NIH) sous les numéros de subvention S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. Le contenu relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les points de vue officiels du NIH.
Materials
| Amira Software | ThermoFisher Scientific | Version 6.0 | |
| Calibration Cube | Custom | 36 steel beads (3 mm diameter, spacing 6.35 cm, uncertainty 0.0036 mm) | |
| Calibration Wand | Vicon | Active Wand | |
| CT Scanner | Siemens AG | SOMATOM Definition 128 CT | |
| Distortion Correction Grid | Custom | Acrylic plate with a grid of steel beads spaced 10 mm and 31 beads across the diameter (2 mm diameter) | |
| Dynamic Calibration Plate | Custom | Acrylic plate with 3 steel beads spaced 30 mm (2 mm diameter, uncertainty 0.0013 mm) | |
| Emitter (2) | Varian Interay; remanufactured by Radiological Imaging Services | Housing B-100/Tube A-142 | |
| Epinephrine | Hospira | Injection, USP 10 mg/mL | |
| FEBioStudio Software | FEBio.org | Version 1.3 | Mesh processing and kinematic visualization |
| Graphical Processing Unit | Nvidia | Tesla | |
| Hare Traction Splint | DynaMed | Trac-III, Model No. 95201 | |
| High-speed Camera (2) | Vision Research, Inc. | Phantom Micro 3 | |
| Image Intensifier (2) | Dunlee, Inc.; remanufactured by Radiological Imaging Services | T12964P/S | |
| Iohexol injection | GE Healthcare | Omnipaque 240 mgI/mL | 517.7 mg iohexol, 1.21 mg tromethamine, 0.1 mg edetate calcium disodium per mL |
| ImageJ | National Institutes of Health and Laboratory for Optical and Computational Instrumentation | ||
| Lidocaine HCl | Hospira | Injection, USP 10 mg/mL | |
| Laser and Mirror Alignment System | Custom | Three lasers adhered to acrylic plate that attaches to emitter, mirror attaches to face of image intensifier | |
| Markless Tracking Workbench | Henry Ford Hospital, Custom Software | Custom | |
| MATLAB Software | Mathworks, Inc. | Version R2017b | |
| Motion Capture Camera (10) | Vicon | Vantage | |
| Nexus Software | Vicon | Version 2.8 | Motion capture |
| Phantom Camera Control (PCC) Software | Vision Research, Inc. | Version 1.3 | |
| Pre-tape Spray Glue | Mueller Sport Care | Tuffner | |
| Retroreflective Spherical Skin Markers | 14 mm | ||
| Split Belt Fully Instrumented Treadmill | Bertec Corporation | Custom | |
| Visual3D Software | C-Motion Inc. | Version 6.01 | Kinematic processing |
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