Misurazione della cinematica della spalla 3D in vivo utilizzando la videoradiografia biplanare

Summary

La videoradiografia biplana può quantificare la cinematica della spalla con un alto grado di precisione. Il protocollo qui descritto è stato specificamente progettato per tracciare la scapola, l’omero e le costole durante l’elevazione omerale planare e delinea le procedure per la raccolta, l’elaborazione e l’analisi dei dati. Vengono inoltre descritte considerazioni univoche per la raccolta dei dati.

Abstract

La spalla è uno dei sistemi articolari più complessi del corpo umano, con il movimento che si verifica attraverso le azioni coordinate di quattro singole articolazioni, legamenti multipli e circa 20 muscoli. Sfortunatamente, le patologie della spalla (ad esempio, lacrime della cuffia dei rotatori, lussazioni articolari, artrite) sono comuni, con conseguente dolore sostanziale, disabilità e diminuzione della qualità della vita. L’eziologia specifica per molte di queste condizioni patologiche non è completamente compresa, ma è generalmente accettato che la patologia della spalla è spesso associata a un movimento articolare alterato. Sfortunatamente, misurare il movimento della spalla con il livello di precisione necessario per indagare ipotesi basate sul movimento non è banale. Tuttavia, le tecniche di misurazione del movimento basate sulla radiografia hanno fornito il progresso necessario per indagare ipotesi basate sul movimento e fornire una comprensione meccanicistica della funzione della spalla. Pertanto, lo scopo di questo articolo è descrivere gli approcci per misurare il movimento della spalla utilizzando un sistema di videoradiografia biplanare personalizzato. Gli obiettivi specifici di questo articolo sono descrivere i protocolli per acquisire immagini videoradiografiche biplanari del complesso della spalla, acquisire scansioni TC, sviluppare modelli ossei 3D, individuare punti di riferimento anatomici, tracciare la posizione e l’orientamento dell’omero, della scapola e del busto dalle immagini radiografiche biplanari e calcolare le misure di esito cinematico. Inoltre, l’articolo descriverà considerazioni speciali uniche per la spalla quando si misura la cinematica articolare utilizzando questo approccio.

Introduction

La spalla è uno dei sistemi articolari più complessi del corpo umano, con il movimento che si verifica attraverso le azioni coordinate di quattro singole articolazioni, legamenti multipli e circa 20 muscoli. La spalla ha anche la più grande gamma di movimento delle principali articolazioni del corpo ed è spesso descritta come un compromesso tra mobilità e stabilità. Sfortunatamente, le patologie della spalla sono comuni, con conseguente dolore sostanziale, disabilità e diminuzione della qualità della vita. Ad esempio, le lacrime della cuffia dei rotatori colpiscono circa il 40% della popolazione di età superiore ai ^601,2,3 anni, con circa 250.000 riparazioni della cuffia dei rotatori eseguite ogni ^anno4 e un onere economico stimato di $ 3-5 miliardi all’anno negli Stati ^Uniti5. Inoltre, le lussazioni della spalla sono comuni e sono spesso associate a disfunzioni ^croniche6. Infine, l’osteoartrite articolare gleno-omerale (OA) è un altro problema clinico significativo che coinvolge la spalla, con studi di popolazione che indicano che circa il 15%-20% degli adulti di età superiore ai 65 anni ha evidenze radiografiche di ^OA7,8 gleno-omerale. Queste condizioni sono dolorose, compromettono i livelli di attività e diminuiscono la qualità della vita.

Sebbene le patogenesi di queste condizioni non siano completamente comprese, è generalmente accettato che il movimento alterato della spalla sia associato a molte patologie della spalla9,10,11. In particolare, il movimento articolare anormale può contribuire alla ^{patologia9,12}, o che la patologia può portare a un movimento articolare ^{anormale13,14}. Le relazioni tra movimento articolare e patologia sono probabilmente complesse e sottili alterazioni nel movimento articolare possono essere importanti nella spalla. Ad esempio, sebbene il movimento angolare sia il movimento predominante che si verifica nell’articolazione gleno-omerale, le traduzioni articolari si verificano anche durante il movimento della spalla. In condizioni normali queste traduzioni probabilmente non superano diversi millimetri15,16,17,18,19, e quindi possono essere al di sotto del livello di accuratezza in vivo per alcune tecniche di misurazione. Mentre può essere allettante supporre che piccole deviazioni nel movimento articolare possano avere un impatto clinico minimo, è importante anche riconoscere che l’effetto cumulativo di sottili deviazioni nel corso di anni di attività della spalla può superare la soglia dell’individuo per la guarigione e la riparazione dei tessuti. Inoltre, le forze in vivo all’articolazione gleno-omerale non sono irrilevanti. Utilizzando impianti articolari gleno-omerali strumentati personalizzati, studi precedenti hanno dimostrato che l’aumento di un peso di 2 kg all’altezza della testa con un braccio teso può comportare forze articolari gleno-omerali che possono variare dal 70% al 238% del peso corporeo20,21,22. Di conseguenza, la combinazione di sottili cambiamenti nel movimento articolare e forze elevate concentrate sulla piccola superficie portante della glenoide può contribuire allo sviluppo di patologie degenerative della spalla.

Storicamente, la misurazione del movimento della spalla è stata realizzata attraverso una varietà di approcci sperimentali. Questi approcci hanno incluso l’uso di complessi sistemi di test cadaverici progettati per simulare il movimento della spalla23,24,25,26,27, sistemi di motion capture basati su video con marcatori di superficie28,29,31, sensori elettromagnetici a montaggio superficiale32,33,34,35 , perni ossei con marcatori riflettenti o altri sensori collegati36,37,38, imaging medico bidimensionale statico (cioè fluoroscopia39,40,41 e radiografie17,42,43,44,45), imaging medico statico tridimensionale (3D) mediante risonanza ^{magnetica46,47}, tomografia ^{computerizzata48} e imaging fluoroscopico dinamico a piano singolo 3D49,50,51. Più recentemente, i sensori indossabili (ad esempio, unità di misura inerziali) hanno guadagnato popolarità per misurare il movimento della spalla al di fuori dell’ambiente di laboratorio e in condizioni di vita libera52,53,54,55,56,57.

Negli ultimi anni, c’è stata una proliferazione di sistemi radiografici o fluoroscopici biplani progettati per misurare con precisione i movimenti dinamici 3D in vivo della spalla58,59,60,61,62. Lo scopo di questo articolo è quello di descrivere l’approccio degli autori per misurare il movimento della spalla utilizzando un sistema di videoradiografia biplanare personalizzato. Gli obiettivi specifici di questo articolo sono descrivere i protocolli per acquisire immagini videoradiografiche biplanari del complesso della spalla, acquisire scansioni TC, sviluppare modelli ossei 3D, individuare punti di riferimento anatomici, tracciare la posizione e l’orientamento dell’omero, della scapola e del busto dalle immagini radiografiche biplanari e calcolare le misure di esito cinematico.

Protocol

Prima della raccolta dei dati, il partecipante ha fornito il consenso informato scritto. L’indagine è stata approvata dall’Institutional Review Board dell’Henry Ford Health System. I protocolli per l’acquisizione, l’elaborazione e l’analisi dei dati di movimento radiografico biplano dipendono fortemente dai sistemi di imaging, dal software di elaborazione dei dati e dalle misure di risultato di interesse. Il seguente protocollo è stato specificamente progettato per tracciare la scapola, l’om…

Representative Results

Una femmina asintomatica di 52 anni (BMI = 23,6 kg/m2) è stata reclutata nell’ambito di una precedente indagine ed è stata sottoposta a test di movimento (rapimento del piano coronale) sulla sua spalla dominante (destra)65. Prima della raccolta dei dati, il partecipante ha fornito il consenso informato scritto. L’indagine è stata approvata dall’Institutional Review Board dell’Henry Ford Health System. La raccolta dei dati è stata eseguita utilizzando il protocollo precedentemente de…

Discussion

La tecnica qui descritta supera diversi svantaggi associati alle tecniche convenzionali per valutare il movimento della spalla (ad esempio, simulazioni cadaveriche, imaging 2D, imaging 3D statico, sistemi di motion capture basati su video, sensori indossabili, ecc.) fornendo misure accurate del movimento articolare 3D durante le attività dinamiche. L’accuratezza del protocollo qui descritto è stata stabilita per l’articolazione gleno-omerale rispetto al gold standard dell’analisi radiostereometrica (RSA) da ±0,5° e ?…

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