פלואורוסקופיה כפולה לוכדת במדויק בתנועה דינמית של ויואו של מפרקים אנושיים, אשר ניתן לדמיין ביחס לאנטומיה משוחזרת (למשל, ארתרוקינמטיקה). להלן, פרוטוקול מפורט לכימות ארתרוקינמטיקה הירך במהלך פעילויות נושאות משקל של חיי היומיום מוצג, כולל שילוב של פלואורוסקופיה כפולה עם לכידת תנועה מסורתית סמן העור.
מספר פתולוגיות ירך יוחסו למורפולוגיה חריגה עם הנחה הבסיסית של ביומכניקה חריגה. עם זאת, יחסי מבנה-פונקציה ברמה המשותפת עדיין מאתגרים לכימות בשל קשיים במדידת תנועה משותפת דינמית מדויקת. שגיאות חפץ הרקמות הרכות הטבועות בלכידת תנועה של סמן עור אופטי מחמירות על ידי עומק מפרק הירך בתוך הגוף והמסה הגדולה של הרקמה הרכה המקיפה את המפרק. לכן, הקשר המורכב בין צורת העצם לבין קינמטיקה מפרק הירך קשה יותר ללמוד במדויק מאשר במפרקים אחרים. להלן פרוטוקול המשלב ארטרוגרפיה טומוגרפיה ממוחשבת (CT), שחזור תלת מימדי (תלת-ממדי) של תמונות נפחיות, פלואורוסקופיה כפולה ולכידת תנועה אופטית כדי למדוד במדויק את התנועה הדינמית של מפרק הירך. המחקרים הטכניים והקליניים שהפעילו פלואורוסקופיה כפולה כדי לחקור את קשרי תפקודי הצורה של הירך באמצעות פרוטוקול זה מסוכמים, והצעדים הספציפיים והשיקולים העתידיים לרכישת נתונים, עיבוד וניתוח מתוארים.
מספר הניתוחים הכוללים של ארתרופלסטיקה בירך (THA) שבוצעו על מבוגרים בגילאי 45-64 שנים הסובלים מדלקת מפרקים ניוונית בירך (OA) יותר מהכפיל את עצמו בין 2000 ל -20101. בהתבסס על העלייה בהליכי THA בין השנים 2000 ל -2014, מחקר שנערך לאחרונה חזה כי המספר הכולל של הליכים שנתיים עשוי לשלש את עצמו בעשרים השנים הבאות2. עליות גדולות אלה בהליכי THA מדאיגות בהתחשב בכך שעלויות הטיפול הנוכחיות עולות על 18 מיליארד דולר בשנה בארצות הבריתלבדה 3.
דיספלזיה התפתחותית של הירך (DDH) ותסמונת ההפוגה הפמורואצטאבולית (FAIS), המתארות ירך מתחת או מוגבלת יתר על המידה, בהתאמה, הם האמינו להיות האטיולוגיה העיקרית של ירך OA4. השכיחות הגבוהה של עיוותים אלה בירך מבנית אצל אנשים העוברים THA תוארה בתחילה לפני יותר משלושהעשורים לפני 5. ובכל זאת, הקשר בין אנטומיה ירך חריגה דלקת מפרקים ניוונית אינו מובן היטב. אחד האתגרים לשיפור ההבנה העובדת של תפקיד העיוותים בהתפתחות OA הירך הוא כי מורפולוגיה ירך חריגה נפוצה מאוד בקרב מבוגרים יםמפטומטיים. ראוי לציין, מחקרים הבחינו מורפולוגיה הקשורים FAIS סוג פקה בכ 35% מהאוכלוסייה הכללית6, 83% של ספורטאים בכירים7, ויותר מ 95% של ספורטאים זכר קולג’ים8. במחקר אחר של ספורטאיות קולג’ים, ל-60% מהמשתתפים היו ראיות רדיוגרפיות של פקה FAIS, ול-30% היו עדויות ל-DDH9.
מחקרים המדגים שכיחות גבוהה של עיוותים בקרב אנשים ללא כאבי ירך מצביעים על האפשרות כי מורפולוגיה הקשורה בדרך כלל עם FAIS ו- DDH עשויה להיות גרסה טבעית שהופכת לסימפטומטית רק בתנאים מסוימים. עם זאת, האינטראקציה בין אנטומיה הירך וביומכניקה הירך אינה מובנת היטב. ראוי לציין, ישנם קשיים ידועים עם מדידת תנועה מפרק הירך באמצעות טכנולוגיית לכידת תנועה אופטית מסורתית. ראשית, המפרק הוא עמוק יחסית בתוך הגוף, כך המיקום של מרכז מפרק הירך קשה לזהות ולעקוב באופן דינמי באמצעות לכידת תנועה סמן עור אופטי, עם שגיאות באותו סדר גודל כמו רדיוס הראש הירך10,11. שנית, מפרק הירך מוקף בנפח גדול של רקמות רכות, כולל שומן ושרירים תת עוריים, הנעים יחסית לעצם הבסיסית, וכתוצאה מכך חפץרקמות רכות 12,13,14. לבסוף, באמצעות מעקב אופטי של סמני עור, קינמטיקה מוערכים ביחס לאנטומיה כללית ולכן אינם מספקים תובנה כיצד הבדלים מורפולוגיים עדינים עשויים להשפיע על הביומכניקה של המפרק.
כדי להתמודד עם היעדר קינמטיקה מדויקת בשילוב עם מורפולוגיה של עצם ספציפית לנושא, פותחו מערכות פלואורוסקופיה בודדות דו-פעמיות לניתוח מערכות מפרקים טבעיות אחרות15,16,17. עם זאת, טכנולוגיה זו הוחלה רק לאחרונה על מפרק הירך המקומי, ככל הנראה בשל הקושי להשיג תמונות באיכות גבוהה דרך הרקמה הרכה המקיפה את הירך. המתודולוגיה למדוד במדויק בתנועה מפרק הירך vivo ולהציג תנועה זו ביחס אנטומיה עצם ספציפית לנושא מתוארת להלן. הארתרוקינמטיקה המתקבלת מספקת יכולת שאין דומה לה לחקור את יחסי הגומלין העדינים בין מורפולוגיה של העצם לביומכניקה.
להלן, נהלי רכישת ועיבוד תמונות פלואורוסקופיה כפולות של הירך במהלך פעילויות של חיי היומיום תוארו. בשל הרצון ללכוד קינמטיקה של כל הגוף עם מעקב אחר סמן אופטי בו זמנית עם תמונות פלואורוסקופיה כפולות, פרוטוקול איסוף הנתונים דורש תיאום בין מספר מקורות נתונים. כיול מערכת הפלורוסקופיה הכפולה משתמש במבני פרספקס המושתלים בחרוזים מתכתיים שניתן לזהותם ישירות ולעקוב אחריהם כסמנים. לעומת זאת, תנועת עצם דינמית מתבצעת באמצעות מעקב ללא סמן, המשתמש רק בצפיפות הרדיוגרף מבוססת ה- CT של העצמות כדי להגדיר אוריינטציה. לאחר מכן מתבצע מעקב אחר תנועה דינמית בו-זמנית באמצעות נתוני פלואורוסקופיה ולכידת תנועה כפולים המסונכרנים באופן מרחבי וטמפורלי.
המערכות מסונכרנות באופן מרחבי במהלך הכיול באמצעות הדמיה בו-זמנית של קוביה עם סמנים רפלקטיביים וחרוזי מתכת מושתלים ויצירת מערכת קואורדינטות משותפת. המערכות מסונכרנות זמנית עבור כל פעילות או לכידה באמצעות גורם אלקטרוני מפוצל, אשר שולח אות לסיים את ההקלטה של מצלמות פלואורוסקופיה כפולה וקוטע קלט V קבוע למערכת לכידת התנועה. פרוטוקול מתואם זה מאפשר כימות המיקום של מקטעי הגוף הנופלים מחוץ לשדה הראייה המשולב של מערכת הפלורוסקופיה הכפולה, ביטוי של תוצאות קינמטיות ביחס לאירועים מנורמלים הליכות, ואפיון עיוות הרקמות הרכות סביב עצם הירך והאגן.
פלואורוסקופיה כפולה היא כלי רב עוצמה לחקירה של in vivo kinematics, במיוחד עבור הירך, אשר קשה למדוד במדויק באמצעות לכידת תנועה אופטית מסורתית. עם זאת, ציוד פלואורוסקופיה מתמחה, שבו התקנה מערכת ייחודית עשויה להידרש בעת הדמיה מפרקים אחרים של גוף האדם. לדוגמה, מספר שינויים נעשו הרכבה של מגבירי התמ…
The authors have nothing to disclose.
מחקר זה נתמך על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) תחת מספרי מענקים S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. התוכן הוא באחריות המחברים בלבד ואינו מייצג בהכרח את הדעות הרשמיות של ה- NIH.
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 |