Meten van 3D in-vivo schouderkinematica met behulp van biplanaire videoradiografie

Summary

Tweedekker videoradiografie kan schouderkinematica met een hoge mate van nauwkeurigheid kwantificeren. Het hierin beschreven protocol is speciaal ontworpen om de scapula, opperarmbeen en de ribben te volgen tijdens vlakke humerusverhoging en schetst de procedures voor het verzamelen, verwerken en analyseren van gegevens. Unieke overwegingen voor het verzamelen van gegevens worden ook beschreven.

Abstract

De schouder is een van de meest complexe gewrichtssystemen van het menselijk lichaam, waarbij beweging plaatsvindt door de gecoördineerde acties van vier individuele gewrichten, meerdere ligamenten en ongeveer 20 spieren. Helaas komen schouderpathologieën (bijv. Rotator cuff-scheuren, gewrichtsdislocaties, artritis) vaak voor, wat resulteert in aanzienlijke pijn, invaliditeit en verminderde kwaliteit van leven. De specifieke etiologie voor veel van deze pathologische aandoeningen is niet volledig begrepen, maar het is algemeen aanvaard dat schouderpathologie vaak wordt geassocieerd met veranderde gewrichtsbeweging. Helaas is het meten van schouderbeweging met de nodige nauwkeurigheid om op beweging gebaseerde hypothesen te onderzoeken niet triviaal. Radiografische bewegingsmeettechnieken hebben echter de vooruitgang opgeleverd die nodig is om op beweging gebaseerde hypothesen te onderzoeken en een mechanistisch begrip van de schouderfunctie te bieden. Het doel van dit artikel is dus om de benaderingen te beschrijven voor het meten van schouderbeweging met behulp van een aangepast dubbelplanair videoradiografiesysteem. De specifieke doelstellingen van dit artikel zijn het beschrijven van de protocollen voor het verkrijgen van biplanaire videoradiografische beelden van het schoudercomplex, het verkrijgen van CT-scans, het ontwikkelen van 3D-botmodellen, het lokaliseren van anatomische oriëntatiepunten, het volgen van de positie en oriëntatie van het opperarmbeen, het schouderblad en de romp van de biplanaire radiografische beelden en het berekenen van de kinematische uitkomstmaten. Bovendien zal het artikel speciale overwegingen beschrijven die uniek zijn voor de schouder bij het meten van gewrichtskinematica met behulp van deze aanpak.

Introduction

De schouder is een van de meest complexe gewrichtssystemen van het menselijk lichaam, waarbij beweging plaatsvindt door de gecoördineerde acties van vier individuele gewrichten, meerdere ligamenten en ongeveer 20 spieren. De schouder heeft ook het grootste bewegingsbereik van de belangrijkste gewrichten van het lichaam en wordt vaak beschreven als een compromis tussen mobiliteit en stabiliteit. Helaas komen schouderpathologieën vaak voor, wat resulteert in aanzienlijke pijn, invaliditeit en verminderde kwaliteit van leven. Rotator cuff-scheuren treffen bijvoorbeeld ongeveer 40% van de bevolking ouder dan ^601,2,3, met ongeveer 250.000 rotator cuff-reparaties die jaarlijks worden ^uitgevoerd4, en een geschatte economische last van $ 3-5 miljard per jaar in de Verenigde ^Staten5. Bovendien komen schouderdislocaties vaak voor en worden ze vaak geassocieerd met chronische ^disfunctie6. Ten slotte is glenohumerale gewrichtsartrose (OA) een ander belangrijk klinisch probleem met betrekking tot de schouder, waarbij bevolkingsstudies aangeven dat ongeveer 15% -20% van de volwassenen ouder dan 65 jaar radiografisch bewijs van glenohumerale ^OA7,8 heeft. Deze aandoeningen zijn pijnlijk, tasten de activiteitsniveaus aan en verminderen de kwaliteit van leven.

Hoewel de pathogeneses van deze aandoeningen niet volledig worden begrepen, wordt algemeen aanvaard dat veranderde schouderbeweging geassocieerd is met veel schouderpathologieën9,10,11. In het bijzonder kan abnormale gewrichtsbeweging bijdragen aan de ^{pathologie9,12}, of dat de pathologie kan leiden tot abnormale gewrichtsbeweging13,14. Relaties tussen gewrichtsbeweging en pathologie zijn waarschijnlijk complex en subtiele veranderingen in gewrichtsbeweging kunnen belangrijk zijn in de schouder. Hoewel hoekbeweging bijvoorbeeld de overheersende beweging is die optreedt bij het glenohumerale gewricht, treden gezamenlijke translaties ook op tijdens schouderbewegingen. Onder normale omstandigheden zijn deze translaties waarschijnlijk niet groter dan enkele millimeters15,16,17,18,19 en kunnen daarom lager zijn dan het niveau van in-vivo nauwkeurigheid voor sommige meettechnieken. Hoewel het verleidelijk kan zijn om aan te nemen dat kleine afwijkingen in gewrichtsbeweging weinig klinische impact kunnen hebben, is het belangrijk om ook te erkennen dat het cumulatieve effect van subtiele afwijkingen gedurende jaren van schouderactiviteit de drempel van het individu voor weefselgenezing en -herstel kan overschrijden. Bovendien zijn in-vivo krachten in het glenohumerale gewricht niet onbelangrijk. Met behulp van op maat gemaakte geïnstrumenteerde glenohumerale gewrichtsimplantaten hebben eerdere studies aangetoond dat het verhogen van een gewicht van 2 kg tot hoofdhoogte met een uitgestrekte arm kan resulteren in glenohumerale gewrichtskrachten die kunnen variëren van 70% tot 238% van het lichaamsgewicht20,21,22. Bijgevolg kan de combinatie van subtiele veranderingen in gewrichtsbeweging en hoge krachten geconcentreerd over het kleine dragende oppervlak van de glenoïde bijdragen aan de ontwikkeling van degeneratieve schouderpathologieën.

Historisch gezien is de meting van schouderbeweging bereikt door middel van een verscheidenheid aan experimentele benaderingen. Deze benaderingen omvatten het gebruik van complexe cadaverische testsystemen die zijn ontworpen om schouderbeweging te simuleren23,24,25,26,27, videogebaseerde motion capture-systemen met oppervlaktemarkeringen28,29,31, opbouw elektromagnetische sensoren32,33,34,35 , botpennen met reflecterende markers of andere sensoren bevestigd36,37,38, statische tweedimensionale medische beeldvorming (d.w.z. fluoroscopie39,40,41 en röntgenfoto’s17,42,43,44,45), statische driedimensionale (3D) medische beeldvorming met ^MRI46,47, ^{computertomografie48} en dynamische, 3D single plane fluoroscopische beeldvorming49,50,51. Meer recent hebben draagbare sensoren (bijv. traagheidsmeeteenheden) aan populariteit gewonnen voor het meten van schouderbewegingen buiten de laboratoriumomgeving en in vrije leefomstandigheden52,53,54,55,56,57.

In de afgelopen jaren is er een proliferatie geweest van tweedekker radiografische of fluoroscopische systemen die zijn ontworpen om dynamische, 3D in-vivo bewegingen van de schouder nauwkeurig te meten58,59,60,61,62. Het doel van dit artikel is om de aanpak van de auteurs te beschrijven voor het meten van schouderbeweging met behulp van een aangepast biplanair videoradiografiesysteem. De specifieke doelstellingen van dit artikel zijn het beschrijven van de protocollen voor het verkrijgen van biplanaire videoradiografische beelden van het schoudercomplex, het verkrijgen van CT-scans, het ontwikkelen van 3D-botmodellen, het lokaliseren van anatomische oriëntatiepunten, het volgen van de positie en oriëntatie van het opperarmbeen, het schouderblad en de romp van de biplanaire radiografische beelden en het berekenen van kinematische uitkomstmaten.

Protocol

Voorafgaand aan het verzamelen van gegevens heeft de deelnemer schriftelijke geïnformeerde toestemming gegeven. Het onderzoek werd goedgekeurd door de Institutional Review Board van Henry Ford Health System. Protocollen voor het verkrijgen, verwerken en analyseren van tweedekker radiografische bewegingsgegevens zijn sterk afhankelijk van de beeldvormingssystemen, gegevensverwerkingssoftware en uitkomstmaten van belang. Het volgende protocol is specifiek ontworpen om de scapula, het opperarmbe…

Representative Results

Een 52-jarige asymptomatische vrouw (BMI = 23,6 kg/m2) werd gerekruteerd als onderdeel van een eerder onderzoek en onderging bewegingstesten (coronale vliegtuigontvoering) op haar dominante (rechters)schouder65. Voorafgaand aan het verzamelen van gegevens heeft de deelnemer schriftelijke geïnformeerde toestemming gegeven. Het onderzoek werd goedgekeurd door de Institutional Review Board van Henry Ford Health System. De gegevensverzameling werd uitgevoerd met behulp van het eerder besch…

Discussion

De hier beschreven techniek overwint verschillende nadelen die verband houden met conventionele technieken voor het beoordelen van schouderbewegingen (d.w.z. cadaverische simulaties, 2D-beeldvorming, statische 3D-beeldvorming, op video gebaseerde motion capture-systemen, draagbare sensoren, enz.) door nauwkeurige metingen van 3D-gewrichtsbewegingen tijdens dynamische activiteiten te bieden. De nauwkeurigheid van het hierin beschreven protocol werd vastgesteld voor de glenohumerale verbinding tegen de gouden standaard van…

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