قياس 3D في الجسم الحي الكتف الحركية باستخدام ثنائية الكواكب فيديو راديوجرافي

Summary

يمكن التصوير الشعاعي بالفيديو ثنائي السطح تحديد حركة الكتف بدرجة عالية من الدقة. تم تصميم البروتوكول الموصوف هنا خصيصا لتتبع الكتف وعظم العضد والأضلاع أثناء ارتفاع عظم العضد المخطط ، ويحدد إجراءات جمع البيانات ومعالجتها وتحليلها. كما يتم وصف الاعتبارات الفريدة لجمع البيانات.

Abstract

الكتف هو واحد من أنظمة المفاصل الأكثر تعقيدا في جسم الإنسان، مع الحركة التي تحدث من خلال الإجراءات المنسقة من أربعة مفاصل فردية، أربطة متعددة، وحوالي 20 عضلة. لسوء الحظ ، أمراض الكتف (على سبيل المثال ، دموع الكفة الدوارة ، خلع المفاصل ، التهاب المفاصل) شائعة ، مما يؤدي إلى ألم كبير ، وإعاقة ، وانخفاض نوعية الحياة. لم يتم فهم المسببات المحددة للعديد من هذه الحالات المرضية بشكل كامل ، ولكن من المقبول بشكل عام أن أمراض الكتف غالبا ما ترتبط بالحركة المشتركة المتغيرة. لسوء الحظ، قياس حركة الكتف مع المستوى اللازم من الدقة للتحقيق في الفرضيات القائمة على الحركة ليست تافهة. ومع ذلك، وفرت تقنيات قياس الحركة القائمة على التصوير الإشعاعي التقدم اللازم للتحقيق في الفرضيات القائمة على الحركة وتوفير فهم ميكانيكي لوظيفة الكتف. وبالتالي ، فإن الغرض من هذه المقالة هو وصف النهج لقياس حركة الكتف باستخدام نظام فيديو راديوجرافي ثنائي الكواكب مخصص. الأهداف المحددة لهذه المادة هي لوصف بروتوكولات للحصول على صور ثنائية الكواكب videoradiographic من مجمع الكتف، والحصول على الأشعة المقطعية، وتطوير نماذج العظام 3D، وتحديد المعالم التشريحية، وتتبع موقف واتجاه عظم العضد، الكتف، والجذع من الصور الشعاعية ثنائية الكواكب، وحساب مقاييس النتيجة الحركية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المادة تصف اعتبارات خاصة فريدة من نوعها على الكتف عند قياس الحركية المشتركة باستخدام هذا النهج.

Introduction

الكتف هو واحد من أنظمة المفاصل الأكثر تعقيدا في جسم الإنسان، مع الحركة التي تحدث من خلال الإجراءات المنسقة من أربعة مفاصل فردية، أربطة متعددة، وحوالي 20 عضلة. الكتف لديه أيضا أكبر مجموعة من الحركة من المفاصل الرئيسية في الجسم وغالبا ما يوصف بأنه حل وسط بين التنقل والاستقرار. لسوء الحظ ، أمراض الكتف شائعة ، مما يؤدي إلى ألم كبير ، وإعاقة ، وانخفاض نوعية الحياة. على سبيل المثال، تؤثر دموع الكفة الدوارة على حوالي 40٪ من السكان فوق سن ^601،2،3 ، مع إجراء حوالي 250،000 إصلاح الكفة الدوارة ^سنويا4 ، ويقدر العبء الاقتصادي من 3-5 مليارات دولار سنويا في الولايات ^{المتحدة5}. بالإضافة إلى ذلك، خلع الكتف شائعة وغالبا ما ترتبط مع الخلل الوظيفي ^{المزمن6}. وأخيرا، جلينوهوميرال هشاشة العظام المشتركة (OA) هو مشكلة سريرية كبيرة أخرى تنطوي على الكتف، مع الدراسات السكانية تشير إلى أن ما يقرب من 15٪ -20٪ من البالغين فوق سن 65 لديهم أدلة إشعاعية من جلينوهوميلال ^OA7،8. هذه الشروط مؤلمة، تضعف مستويات النشاط، وتقلل من جودة الحياة.

على الرغم من أن مسببات الأمراض في هذه الحالات غير مفهومة تماما ، إلا أنه من المقبول عموما أن حركة الكتف المتغيرة ترتبط بالعديد من أمراض ^{الكتف9،10،11}. على وجه التحديد ، قد تساهم حركة المفاصل غير الطبيعية في علم ^{الأمراض9،12} ، أو أن علم الأمراض قد يؤدي إلى حركة مشتركة غير ^{طبيعية13،14}. العلاقات بين الحركة المشتركة وعلم الأمراض معقدة على الأرجح ، وقد تكون التعديلات الدقيقة في حركة المفاصل مهمة في الكتف. على سبيل المثال ، على الرغم من أن الحركة الزاوي هو الحركة السائدة التي تحدث في المفصل جلينوهوميرال ، تحدث أيضا ترجمات مشتركة أثناء حركة الكتف. وفي الظروف العادية، لا تتجاوز هذه الترجمات على الأرجح عدة ملليمترات15,16,17,18,19، وبالتالي قد تكون أقل من مستوى الدقة في الجسم الحي لبعض تقنيات القياس. في حين أنه قد يكون من المغري أن نفترض أن الانحرافات الصغيرة في حركة المفاصل قد يكون لها تأثير سريري ضئيل، من المهم أيضا أن ندرك أن التأثير التراكمي للانحرافات خفية على مدى سنوات من نشاط الكتف قد تتجاوز عتبة الفرد لشفاء الأنسجة وإصلاحها. وعلاوة على ذلك، فإن القوات الحية في المفصل الغلينوموري ليست غير ذات أهمية. باستخدام مخصص يزرع المفاصل glenohumeral، وقد أظهرت الدراسات السابقة أن رفع وزن 2 كجم إلى طول الرأس مع ذراع ممدودة يمكن أن يؤدي إلى قوات مشتركة glenohumeral التي يمكن أن تتراوح بين 70٪ إلى 238٪ من وزن ^{الجسم20،21،22}. وبالتالي ، فإن الجمع بين التغيرات الطفيفة في الحركة المشتركة والقوى العالية المركزة على مساحة السطح الصغيرة الحاملة للجلينويد قد يساهم في تطوير أمراض الكتف التنكسية.

تاريخيا، تم إنجاز قياس حركة الكتف من خلال مجموعة متنوعة من النهج التجريبية. وشملت هذه النهج استخدام نظم اختبار الجثث المعقدة المصممة لمحاكاة حركة الكتف23,24,25,26,27, ^نظم التقاط الحركة القائمة على الفيديو مع علامات سطحية28,29,31, أجهزة الاستشعار الكهرومغناطيسية المثبتة على ^{السطح32,33,34,35} ، دبابيس العظام مع علامات عاكسة أو غيرها من أجهزة الاستشعار المرفقة36,37,38, ثابت التصوير الطبي ثنائي الأبعاد (أي التنظير ^{الفلوري39,40,41} والتصوير ^{الإشعاعي17,42,43,44,45}), ثابت ثلاثي الأبعاد (3D) التصوير الطبي باستخدام ^MRI46,47, التصوير المقطعي ^{المحوسب48}، ودينامية، 3D طائرة واحدة التصوير بالمنظار ^49،50،51. وفي الآونة الأخيرة، اكتسبت أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء (مثل وحدات قياس القصور الذاتي) شعبية لقياس حركة الكتف خارج إطار المختبر وفي ظروف العيش الحر52,53,54,55,56,57.

في السنوات الأخيرة، كان هناك انتشار للأنظمة الإشعاعية ثنائية السطح أو الفلوروسكوبية المصممة لقياس الحركات الديناميكية ثلاثية الأبعاد في الجسم الحي بدقة للكتف58,59,60,61,62. الغرض من هذه المقالة هو وصف نهج المؤلفين لقياس حركة الكتف باستخدام نظام فيديو راديوجرافي ثنائي الكواكب مخصص. الأهداف المحددة لهذه المادة هي لوصف بروتوكولات للحصول على صور ثنائية الكواكب videoradiographic من مجمع الكتف، والحصول على الأشعة المقطعية، وتطوير نماذج العظام 3D، وتحديد المعالم التشريحية، وتتبع موقف واتجاه عظم العضد، الكتف، والجذع من الصور الشعاعية ثنائية الكواكب، وحساب مقاييس النتائج الحركية.

Protocol

وقبل جمع البيانات، قدم المشارك موافقة خطية مستنيرة. تمت الموافقة على التحقيق من قبل مجلس المراجعة المؤسسية للنظام الصحي هنري فورد. تعتمد بروتوكولات الحصول على بيانات الحركة الإشعاعية ثنائية السطح ومعالجتها وتحليلها اعتمادا كبيرا على أنظمة التصوير وبرامج معالجة البيانات …

Representative Results

تم تجنيد أنثى بدون أعراض تبلغ من العمر 52 عاما (BMI = 23.6 كجم / م2) كجزء من تحقيق سابق وخضعت لاختبار الحركة (اختطاف الطائرة التاجية) على كتفها المهيمن (الأيمن)65. وقبل جمع البيانات، قدم المشارك موافقة خطية مستنيرة. تمت الموافقة على التحقيق من قبل مجلس المراجعة المؤسسية للنظام ال?…

Discussion

التقنية الموصوفة هنا تتغلب على العديد من العيوب المرتبطة بالتقنيات التقليدية لتقييم حركة الكتف (أي المحاكاة الجثثية والتصوير ثنائي الأبعاد والتصوير ثلاثي الأبعاد الثابت وأنظمة التقاط الحركة المستندة إلى الفيديو وأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء وما إلى ذلك) من خلال توفير مقاييس دقيقة …

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