In vivo Quantificazione dell'artrokinematica dell'anca durante le attività dinamiche di carico utilizzando la doppia fluoroscopia

Summary

La doppia fluoroscopia cattura con precisione il movimento dinamico in vivo delle articolazioni umane, che può essere visualizzato rispetto all’anatomia ricostruita (ad esempio, artrokinematica). Qui viene presentato un protocollo dettagliato per quantificare l’artrocinematica dell’anca durante le attività di carico della vita quotidiana, compresa l’integrazione della doppia fluoroscopia con la tradizionale cattura del movimento dei marcatori cutanei.

Abstract

Diverse patologie dell’anca sono state attribuite a morfologia anomala con un’ipotesi sottostante di biomeccanica aberrante. Tuttavia, le relazioni struttura-funzione a livello articolare rimangono difficili da quantificare a causa delle difficoltà nel misurare con precisione il movimento dinamico dell’articolazione. Gli errori di artefatto dei tessuti molli inerenti alla cattura del movimento del marcatore ottico della pelle sono esacerbati dalla profondità dell’articolazione dell’anca all’interno del corpo e dalla grande massa di tessuto molle che circonda l’articolazione. Pertanto, la complessa relazione tra forma ossea e cinematica dell’articolazione dell’anca è più difficile da studiare con precisione rispetto ad altre articolazioni. Qui viene presentato un protocollo che incorpora l’artrografia computerizzata (CT), la ricostruzione tridimensionale (3D) di immagini volumetriche, la doppia fluoroscopia e l’acquisizione ottica del movimento per misurare con precisione il movimento dinamico dell’articolazione dell’anca. Gli studi tecnici e clinici che hanno applicato la doppia fluoroscopia per studiare le relazioni forma-funzione dell’anca utilizzando questo protocollo sono riassunti e vengono descritti i passaggi specifici e le considerazioni future per l’acquisizione, l’elaborazione e l’analisi dei dati.

Introduction

Il numero di procedure totali di artroplastica dell’anca (THA) eseguite su adulti di età compresa tra 45 e 64 anni affetti da artrosi dell’anca (OA) è più che raddoppiato tra il 2000 e il 2010¹. Sulla base degli aumenti delle procedure THA dal 2000 al 2014, un recente studio ha previsto che il numero complessivo di procedure annuali potrebbe triplicare nei prossimi vent’anni². Questi grandi aumenti delle procedure THA sono allarmanti considerando che gli attuali costi di trattamento superano i 18 miliardi di dollari all’anno solo negli Stati Uniti^3.

Si ritiene che la displasia evolutiva dell’anca (DDH) e la sindrome da impingement femoroacetabolare (FAIS), che descrivono un’anca sotto- o sovra-vincolata, siano l’eziologia primaria dell’OA⁴dell’anca . L’alta prevalenza di queste deformità strutturali dell’anca in individui sottoposti a THA è stata inizialmente descritta più di tre decenni fa⁵. Tuttavia, la relazione tra anatomia anormale dell’anca e osteoartrite non è ben compresa. Una sfida per migliorare la comprensione del ruolo delle deformità nello sviluppo dell’OA dell’anca è che la morfologia anormale dell’anca è molto comune tra gli adulti asintomatici. In particolare, gli studi hanno osservato la morfologia associata al FAIS di tipo cam in circa il 35% della popolazione generale^6,l’83% degli atleti senior⁷e oltre il 95% degli atleti maschi collegiali^8. In un altro studio su atlete collegiali, il 60% dei partecipanti aveva prove radiografiche di CAM FAIS e il 30% aveva evidenza di DDH⁹.

Gli studi che dimostrano un’alta prevalenza di deformità tra gli individui senza dolore all’anca indicano la possibilità che la morfologia comunemente associata a FAIS e DDH possa essere una variante naturale che diventa sintomatica solo in determinate condizioni. Tuttavia, l’interazione tra anatomia dell’anca e biomeccanica dell’anca non è ben compresa. In particolare, ci sono difficoltà note con la misurazione del movimento dell’articolazione dell’anca utilizzando la tradizionale tecnologia di acquisizione ottica del movimento. In primo luogo, l’articolazione è relativamente profonda all’interno del corpo, in modo tale che la posizione del centro dell’articolazione dell’anca è difficile da identificare e tracciare dinamicamente utilizzando la cattura ottica del movimento del marcatore cutaneo, con errori sullo stesso ordine di grandezza del raggio della testa del femore^10,11. In secondo luogo, l’articolazione dell’anca è circondata da una grande massa di tessuti molli, tra cui grasso sottocutaneo e muscolo, che si muove rispetto all’osso sottostante, con conseguente artefatto dei tessuti molli^12,13,14. Infine, utilizzando il tracciamento ottico dei marcatori cutanei, la cinematica viene valutata rispetto all’anatomia generalizzata e quindi non fornisce informazioni su come sottili differenze morfologiche potrebbero influenzare la biomeccanica dell’articolazione.

Per affrontare la mancanza di una cinematica accurata in combinazione con la morfologia ossea specifica del soggetto, sono stati sviluppati sistemi di fluoroscopia sia singoli che doppi per analizzare altri sistemi articolari naturali^15,16,17. Tuttavia, questa tecnologia è stata applicata solo di recente all’articolazione dell’anca nativa, probabilmente a causa della difficoltà di acquisire immagini di alta qualità attraverso i tessuti molli che circondano l’anca. La metodologia per misurare con precisione il movimento dell’articolazione dell’anca in vivo e visualizzare questo movimento rispetto all’anatomia ossea specifica del soggetto è descritta qui. L’artrokinematica risultante fornisce una capacità senza precedenti di indagare la sottile interazione tra morfologia ossea e biomeccanica.

Qui sono state descritte le procedure per l’acquisizione e l’elaborazione di immagini a doppia fluoroscopia dell’anca durante le attività della vita quotidiana. A causa del desiderio di acquisire la cinematica di tutto il corpo con il tracciamento ottico dei marcatori contemporaneamente alle immagini a doppia fluoroscopia, il protocollo di raccolta dei dati richiede il coordinamento tra diverse fonti di dati. La calibrazione del sistema a doppia fluoroscopia utilizza strutture in plexiglass impiantate con perle metalliche che possono essere identificate direttamente e tracciate come marcatori. Al contrario, il movimento osseo dinamico viene monitorato utilizzando il tracciamento senza marcatori, che utilizza solo la densità radiografica basata sulla TC delle ossa per definire l’orientamento. Il movimento dinamico viene quindi monitorato simultaneamente utilizzando la doppia fluoroscopia e i dati di acquisizione del movimento che sono sincronizzati spazialmente e temporalmente.

I sistemi vengono sincronizzati spazialmente durante la calibrazione attraverso l’imaging simultaneo di un cubo con marcatori riflettenti e perle metalliche impiantate e la generazione di un sistema di coordinate comune. I sistemi sono sincronizzati temporalmente per ogni attività o cattura attraverso l’uso di un trigger elettronico split, che invia un segnale per terminare la registrazione delle doppie telecamere fluoroscopiche e interrompe un ingresso costante di 5 V al sistema di motion capture. Questo protocollo coordinato consente la quantificazione della posizione dei segmenti corporei che non rientrano nel campo visivo combinato del sistema dual fluoroscopico, l’espressione di risultati cinematici relativi a eventi normalizzati dall’andatura e la caratterizzazione della deformazione dei tessuti molli intorno al femore e al bacino.

Protocol

Le procedure delineate in questo protocollo sono state approvate dall’Institutional Review Board dell’Università dello Utah. 1. Imaging artrogramma CT Artrogramma18 Programmare un radiologo muscoloscheletrico addestrato per eseguire l’artrogramma direttamente prima dell’imaging TC programmato. Posizionare il partecipante sul tavolo con l’anca di interesse nel campo visivo di un fluoroscopio clinico. Posizionare sacchi di sabbia su entrambi …

Representative Results

Utilizzando la doppia fluoroscopia come standard di riferimento, l’accuratezza delle stime basate sui marcatori cutanei del centro dell’articolazione dell’anca e l’effetto dell’artefatto dei tessuti molli sulle misurazioni cinematiche e cinetiche sono state quantificate22,23,24. La precisione superiore della doppia fluoroscopia è stata quindi utilizzata per identificare sottili differenze nella cinematica dell’articolazione pel…

Discussion

La doppia fluoroscopia è un potente strumento per lo studio della cinematica in vivo, in particolare per l’anca, che è difficile da misurare con precisione utilizzando la tradizionale cattura ottica del movimento. Tuttavia, l’apparecchiatura per fluoroscopia è specializzata, in cui può essere necessaria una configurazione di sistema unica quando si visualizzano altre articolazioni del corpo umano. Ad esempio, sono state apportate diverse modifiche al montaggio degli intensificatori di immagine, al posizionam…

Materials

Amira Software	ThermoFisher Scientific	Version 6.0
Calibration Cube		Custom	36 steel beads (3 mm diameter, spacing 6.35 cm, uncertainty 0.0036 mm)
Calibration Wand	Vicon	Active Wand
CT Scanner	Siemens AG	SOMATOM Definition 128 CT
Distortion Correction Grid		Custom	Acrylic plate with a grid of steel beads spaced 10 mm and 31 beads across the diameter (2 mm diameter)
Dynamic Calibration Plate		Custom	Acrylic plate with 3 steel beads spaced 30 mm (2 mm diameter, uncertainty 0.0013 mm)
Emitter (2)	Varian Interay; remanufactured by Radiological Imaging Services	Housing B-100/Tube A-142
Epinephrine	Hospira	Injection, USP 10 mg/mL
FEBioStudio Software	FEBio.org	Version 1.3	Mesh processing and kinematic visualization
Graphical Processing Unit	Nvidia	Tesla
Hare Traction Splint	DynaMed	Trac-III, Model No. 95201
High-speed Camera (2)	Vision Research, Inc.	Phantom Micro 3
Image Intensifier (2)	Dunlee, Inc.; remanufactured by Radiological Imaging Services	T12964P/S
Iohexol injection	GE Healthcare	Omnipaque 240 mgI/mL	517.7 mg iohexol, 1.21 mg tromethamine, 0.1 mg edetate calcium disodium per mL
ImageJ	National Institutes of Health and Laboratory for Optical and Computational Instrumentation
Lidocaine HCl	Hospira	Injection, USP 10 mg/mL
Laser and Mirror Alignment System		Custom	Three lasers adhered to acrylic plate that attaches to emitter, mirror attaches to face of image intensifier
Markless Tracking Workbench	Henry Ford Hospital, Custom Software	Custom
MATLAB Software	Mathworks, Inc.	Version R2017b
Motion Capture Camera (10)	Vicon	Vantage
Nexus Software	Vicon	Version 2.8	Motion capture
Phantom Camera Control (PCC) Software	Vision Research, Inc.	Version 1.3
Pre-tape Spray Glue	Mueller Sport Care	Tuffner
Retroreflective Spherical Skin Markers			14 mm
Split Belt Fully Instrumented Treadmill	Bertec Corporation	Custom
Visual3D Software	C-Motion Inc.	Version 6.01	Kinematic processing