Medindo kinemática de ombro 3D in vivo usando videoradiografia biplanar

Summary

A videoradiografia biplano pode quantificar a cinemática do ombro com um alto grau de precisão. O protocolo aqui descrito foi especificamente projetado para rastrear a escápula, o úmero e as costelas durante a elevação do úmero planar, e descreve os procedimentos para coleta, processamento e análise de dados. Também são descritas considerações únicas para a coleta de dados.

Abstract

O ombro é um dos sistemas articulares mais complexos do corpo humano, com o movimento ocorrendo através das ações coordenadas de quatro articulações individuais, múltiplos ligamentos e aproximadamente 20 músculos. Infelizmente, patologias do ombro (por exemplo, lágrimas de manguito rotador, luxações articulares, artrite) são comuns, resultando em dor substancial, incapacidade e diminuição da qualidade de vida. A etiologia específica para muitas dessas condições patológicas não é totalmente compreendida, mas é geralmente aceito que a patologia do ombro está frequentemente associada ao movimento articular alterado. Infelizmente, medir o movimento do ombro com o nível necessário de precisão para investigar hipóteses baseadas em movimento não é trivial. No entanto, as técnicas de medição de movimento baseadas em radiográficas forneceram o avanço necessário para investigar hipóteses baseadas em movimento e fornecer uma compreensão mecanicista da função do ombro. Assim, o objetivo deste artigo é descrever as abordagens para medir o movimento do ombro usando um sistema de videoradiografia biplanar personalizado. Os objetivos específicos deste artigo são descrever os protocolos para adquirir imagens videoradiográficas biplanar do complexo do ombro, adquirir tomografias computadorizadas, desenvolver modelos ósseos 3D, localizar marcos anatômicos, rastrear a posição e orientação do úmero, escápula e tronco a partir das imagens radiográficas biplanares e calcular as medidas de desfecho cinemático. Além disso, o artigo descreverá considerações especiais exclusivas do ombro ao medir a cinemática articular usando essa abordagem.

Introduction

O ombro é um dos sistemas articulares mais complexos do corpo humano, com o movimento ocorrendo através das ações coordenadas de quatro articulações individuais, múltiplos ligamentos e aproximadamente 20 músculos. O ombro também tem a maior amplitude de movimento das principais articulações do corpo e é frequentemente descrito como um compromisso entre mobilidade e estabilidade. Infelizmente, patologias do ombro são comuns, resultando em dor substancial, incapacidade e diminuição da qualidade de vida. Por exemplo, as lágrimas do manguito rotador afetam cerca de 40% da população com mais de 601,2,3 ^anos, com aproximadamente 250.000 reparos no manguito rotador realizados ^anualmente4, e uma carga econômica estimada de US $ 3-5 bilhões por ano nos Estados ^Unidos5. Além disso, as luxações do ombro são comuns e muitas vezes estão associadas à disfunção ^crônica6. Por fim, a osteoartrite articular glenohumeral (OA) é outro problema clínico significativo envolvendo o ombro, com estudos populacionais indicando que cerca de 15%-20% dos adultos com mais de 65 anos têm evidências radiográficas de glenohumeral ^OA7,8. Essas condições são dolorosas, prejudicam os níveis de atividade e diminuem a qualidade de vida.

Embora as patologias dessas condições não sejam totalmente compreendidas, é geralmente aceito que o movimento alterado do ombro esteja associado a muitas patologias do ombro9,10,11. Especificamente, o movimento articular anormal pode contribuir para a ^{patologia9,12}, ou que a patologia pode levar a um movimento articular ^anormal13,14. As relações entre movimento articular e patologia são provavelmente complexas, e alterações sutis no movimento articular podem ser importantes no ombro. Por exemplo, embora o movimento angular seja o movimento predominante que ocorre na articulação glenohumeral, traduções articulares também ocorrem durante o movimento do ombro. Em condições normais, essas traduções provavelmente não excedem vários milímetros15,16,17,18,19 e, portanto, podem estar abaixo do nível de precisão in vivo para algumas técnicas de medição. Embora possa ser tentador assumir que pequenos desvios no movimento articular podem ter pouco impacto clínico, é importante também reconhecer que o efeito cumulativo de desvios sutis ao longo de anos de atividade do ombro pode exceder o limiar do indivíduo para cicatrização e reparação de tecidos. Além disso, as forças in-vivo na articulação glenohumeral não são inconsequentes. Usando implantes articulares glenohumeral personalizados instrumentados, estudos anteriores mostraram que elevar um peso de 2 kg para a altura da cabeça com um braço estendido pode resultar em forças articulares glenohumeral que podem variar de 70% a 238% do peso corporal20,21,22. Consequentemente, a combinação de mudanças sutis no movimento articular e forças altas concentradas sobre a pequena área de superfície de suporte de carga do glenóide pode contribuir para o desenvolvimento de patologias degenerativas do ombro.

Historicamente, a medição do movimento do ombro tem sido realizada através de uma variedade de abordagens experimentais. Essas abordagens incluíram o uso de complexos sistemas de teste cadavérico projetados para simular o movimento do ombro23,24,25,26,27, sistemas de captura de movimento baseados em vídeo com marcadores de superfície28,29,31, sensores eletromagnéticos montados na superfície32,33,34,35 , pinos ósseos com marcadores reflexivos ou outros sensores ligados36,37,38, imagem médica bidimensional estática (ou seja, fluoroscopia39,40,41 e radiografia17,42,43,44,45), imagem médica trif dimensional estática (3D) usando ressonância ^{magnética46,47}, tomografia ^{computadorizada48}, e imagem fluoroscópica de plano único 3D 49,50,51. Mais recentemente, os sensores vestíveis (por exemplo, unidades de medição inercial) ganharam popularidade para medir o movimento do ombro fora do ambiente de laboratório e em condições de vida livre52,53,54,55,56,57.

Nos últimos anos, houve uma proliferação de sistemas radiográficos ou fluoroscópicos biplanos projetados para medir com precisão movimentos dinâmicos e in vivo do ombro58,59,60,61,62. O objetivo deste artigo é descrever a abordagem dos autores para medir o movimento do ombro usando um sistema de videoradiografia biplanar personalizado. Os objetivos específicos deste artigo são descrever os protocolos para adquirir imagens videoradiográficas biplanar do complexo do ombro, adquirir tomografias computadorizadas, desenvolver modelos ósseos 3D, localizar marcos anatômicos, rastrear a posição e orientação do úmero, escápula e tronco a partir das imagens radiográficas biplanares e calcular medidas de desfecho cinemático.

Protocol

Antes da coleta de dados, o participante forneceu consentimento por escrito. A investigação foi aprovada pelo Conselho de Revisão Institucional do Sistema de Saúde Henry Ford. Os protocolos para aquisição, processamento e análise de dados de movimento radiográfico biplano são altamente dependentes dos sistemas de imagem, software de processamento de dados e medidas de interesse de resultados. O protocolo a seguir foi especificamente projetado para rastrear a escápula, úmero, e a ter…

Representative Results

Uma mulher assintomática de 52 anos (IMC = 23,6 kg/m2) foi recrutada como parte de uma investigação anterior e submetida a testes de movimento (abdução de avião coronal) em seu ombro dominante (direita)65. Antes da coleta de dados, o participante forneceu consentimento por escrito. A investigação foi aprovada pelo Conselho de Revisão Institucional do Sistema de Saúde Henry Ford. A coleta de dados foi realizada utilizando-se o protocolo descrito anteriormente (<strong class="xf…

Discussion

A técnica descrita aqui supera várias desvantagens associadas às técnicas convencionais de avaliação do movimento do ombro (ou seja, simulações cadavéricas, imagens 2D, imagem 3D estática, sistemas de captura de movimento baseados em vídeo, sensores vestíveis, etc.) fornecendo medidas precisas de movimento articular 3D durante atividades dinâmicas. A precisão do protocolo aqui descrito foi estabelecida para que a articulação glenohumeral contra o padrão ouro de análise radiotereométrica (RSA) seja ±0,…

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