Mesure de la cinématique 3D in vivo de l’épaule à l’aide de la vidéoradiographie biplanaire

Summary

La vidéoradiographie biplan permet de quantifier la cinématique de l’épaule avec un haut degré de précision. Le protocole décrit ici a été spécialement conçu pour suivre l’omoplate, l’humérus et les côtes pendant l’élévation humérale plane, et décrit les procédures de collecte, de traitement et d’analyse des données. Des considérations uniques pour la collecte de données sont également décrites.

Abstract

L’épaule est l’un des systèmes articulaires les plus complexes du corps humain, le mouvement se produisant par les actions coordonnées de quatre articulations individuelles, de plusieurs ligaments et d’environ 20 muscles. Malheureusement, les pathologies de l’épaule (p. ex., déchirures de la coiffe des rotateurs, luxations articulaires, arthrite) sont courantes, entraînant une douleur importante, une invalidité et une diminution de la qualité de vie. L’étiologie spécifique pour beaucoup de ces conditions pathologiques n’est pas entièrement comprise, mais il est généralement admis que la pathologie de l’épaule est souvent associée à un mouvement articulaire altéré. Malheureusement, mesurer le mouvement de l’épaule avec le niveau de précision nécessaire pour étudier les hypothèses basées sur le mouvement n’est pas anodin. Cependant, les techniques de mesure du mouvement basées sur la radiographie ont fourni les progrès nécessaires pour étudier les hypothèses basées sur le mouvement et fournir une compréhension mécaniste de la fonction de l’épaule. Ainsi, le but de cet article est de décrire les approches de mesure du mouvement de l’épaule à l’aide d’un système de vidéoradiographie biplanaire personnalisé. Les objectifs spécifiques de cet article sont de décrire les protocoles permettant d’acquérir des images vidéorographiques biplanaires du complexe de l’épaule, d’acquérir des tomodensitogrammes, de développer des modèles osseux 3D, de localiser des repères anatomiques, de suivre la position et l’orientation de l’humérus, de l’omoplate et du torse à partir des images radiographiques biplanaires et de calculer les mesures cinématiques des résultats. En outre, l’article décrira des considérations spéciales propres à l’épaule lors de la mesure de la cinématique articulaire à l’aide de cette approche.

Introduction

L’épaule est l’un des systèmes articulaires les plus complexes du corps humain, le mouvement se produisant par les actions coordonnées de quatre articulations individuelles, de plusieurs ligaments et d’environ 20 muscles. L’épaule a également la plus grande amplitude de mouvement des principales articulations du corps et est souvent décrite comme un compromis entre mobilité et stabilité. Malheureusement, les pathologies de l’épaule sont courantes, entraînant une douleur importante, une invalidité et une diminution de la qualité de vie. Par exemple, les déchirures de la coiffe des rotateurs touchent environ 40 % de la population âgée de plus de ^{601 2,3 ans}, avec environ 250 000 réparations de la coiffe des rotateurs effectuées chaque ^année4 et un fardeau économique estimé à 3 à 5 milliards de dollars par an aux États-Unis5. De plus, les luxations de l’épaule sont fréquentes et sont souvent associées à un dysfonctionnement ^chronique6. Enfin, l’arthrose de l’articulation gléno-humérale (ARTH) est un autre problème clinique important impliquant l’épaule, avec des études de population indiquant qu’environ 15% à 20% des adultes de plus de 65 ans présentent des preuves radiographiques d’OA ^{gléno-humérale7,8}. Ces conditions sont douloureuses, altèrent les niveaux d’activité et diminuent la qualité de vie.

Bien que les pathogènes de ces conditions ne soient pas entièrement comprises, il est généralement admis que le mouvement altéré de l’épaule est associé à de nombreuses pathologies de ^{l’épaule9,10,11}. Plus précisément, un mouvement articulaire anormal peut contribuer à la ^{pathologie9,12}, ou que la pathologie peut conduire à un mouvement articulaire ^anormal13,14. Les relations entre le mouvement articulaire et la pathologie sont probablement complexes, et des altérations subtiles du mouvement articulaire peuvent être importantes dans l’épaule. Par exemple, bien que le mouvement angulaire soit le mouvement prédominant se produisant au niveau de l’articulation gléno-humérale, des translations articulaires se produisent également pendant le mouvement de l’épaule. Dans des conditions normales, ces translations ne dépassent probablement pas plusieurs millimètres15,16,17,18,19 et peuvent donc être inférieures au niveau de précision in vivo pour certaines techniques de mesure. Bien qu’il puisse être tentant de supposer que de petites déviations dans le mouvement articulaire peuvent avoir peu d’impact clinique, il est important de reconnaître également que l’effet cumulatif des déviations subtiles au cours des années d’activité de l’épaule peut dépasser le seuil de guérison et de réparation des tissus de l’individu. De plus, les forces in vivo au niveau de l’articulation gléno-humérale ne sont pas sans conséquence. En utilisant des implants articulaires gléno-huméraux instrumentés sur mesure, des études antérieures ont montré que l’augmentation d’un poids de 2 kg à la hauteur de la tête avec un bras tendu peut entraîner des forces articulaires gléno-humérales pouvant aller de 70% à 238% du poids corporel20,21,22. Par conséquent, la combinaison de changements subtils dans le mouvement articulaire et de forces élevées concentrées sur la petite surface porteuse de la glénoïde peut contribuer au développement de pathologies dégénératives de l’épaule.

Historiquement, la mesure du mouvement de l’épaule a été réalisée grâce à une variété d’approches expérimentales. Ces approches ont inclus l’utilisation de systèmes de test cadavériques complexes conçus pour simuler le mouvement de l’épaule23,24,25,26,27, des systèmes de capture de mouvement vidéo avec des marqueurs ^{de surface28,29,31}, des capteurs électromagnétiques montés en ^{surface32,33,34,35} , des broches osseuses avec marqueurs réfléchissants ou d’autres capteurs ^{attachés36,37,38}, imagerie médicale statique bidimensionnelle (c.-à-d. fluoroscopie39,40,41 et radiographies17,42,43,44,45), imagerie médicale tridimensionnelle (3D) statique utilisant l’IRM46,47, tomodensitométrie48 et imagerie fluoroscopique 3D à plan unique ^{dynamique49,50,51}. Plus récemment, les capteurs portables (par exemple, les unités de mesure inertielle) ont gagné en popularité pour mesurer le mouvement des épaules en dehors du laboratoire et dans des conditions de vie libre52,53,54,55,56,57.

Au cours des dernières années, il y a eu une prolifération de systèmes radiographiques ou fluoroscopiques biplans conçus pour mesurer avec précision les mouvements dynamiques et 3D in vivo de l’épaule58,59,60,61,62. Le but de cet article est de décrire l’approche des auteurs pour mesurer le mouvement de l’épaule à l’aide d’un système de vidéoradiographie biplanaire personnalisé. Les objectifs spécifiques de cet article sont de décrire les protocoles permettant d’acquérir des images vidéorographiques biplanaires du complexe de l’épaule, d’acquérir des tomodensitogrammes, de développer des modèles osseux 3D, de localiser des repères anatomiques, de suivre la position et l’orientation de l’humérus, de l’omoplate et du torse à partir des images radiographiques biplanaires et de calculer des mesures cinématiques des résultats.

Protocol

Avant la collecte des données, le participant a donné son consentement éclairé écrit. L’enquête a été approuvée par le Comité d’examen institutionnel du système de santé Henry Ford. Les protocoles d’acquisition, de traitement et d’analyse des données de mouvement radiographique biplan dépendent fortement des systèmes d’imagerie, des logiciels de traitement des données et des mesures des résultats d’intérêt. Le protocole suivant a été spécialement conçu pour s…

Representative Results

Une femme asymptomatique de 52 ans (IMC = 23,6 kg/m2) a été recrutée dans le cadre d’une enquête antérieure et a subi un test de mouvement (abduction par avion coronal) sur son épaule dominante (droite)65. Avant la collecte des données, le participant a donné son consentement éclairé écrit. L’enquête a été approuvée par le Comité d’examen institutionnel du système de santé Henry Ford. La collecte de données a été effectuée à l’aide du protocole décrit pr?…

Discussion

La technique décrite ici surmonte plusieurs inconvénients associés aux techniques conventionnelles d’évaluation du mouvement de l’épaule (simulations cadavériques, imagerie 2D, imagerie 3D statique, systèmes de capture de mouvement vidéo, capteurs portables, etc.) en fournissant des mesures précises du mouvement des articulations 3D pendant les activités dynamiques. La précision du protocole décrit ici a été établie pour que l’articulation gléno-humérale par rapport à l’étalon-or de l’analyse…

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