Двойная рентгеноскопия точно фиксирует in vivo динамическое движение суставов человека, которое может быть визуализировано относительно реконструированной анатомии (например, артрокинематики). Здесь представлен подробный протокол количественной оценки артрокинематики тазобедренного сустава во время несущей деятельности повседневной жизни, включая интеграцию двойной рентгеноскопии с традиционным захватом движения маркеров кожи.
Несколько патологий тазобедренного сустава были отнесены к аномальной морфологии с базовым предположением об аберрантной биомеханике. Однако структурно-функциональные отношения на совместном уровне по-прежнему трудно поддаются количественной оценке из-за трудностей с точным измерением динамического движения суставов. Ошибки артефактов мягких тканей, присущие захвату движения оптическими маркерами кожи, усугубляются глубиной тазобедренного сустава в организме и большой массой мягких тканей, окружающих сустав. Таким образом, сложную взаимосвязь между формой кости и кинематикой тазобедренного сустава изучать сложнее, чем в других суставах. Здесь представлен протокол, включающий артрографию компьютерной томографии (КТ), трехмерную (3D) реконструкцию объемных изображений, двойную рентгеноскопию и оптический захват движения для точного измерения динамического движения тазобедренного сустава. Обобщены технические и клинические исследования, в которых применялась двойная рентгеноскопия для изучения формо-функциональных отношений тазобедренного сустава с использованием этого протокола, а также описываются конкретные шаги и будущие соображения по сбору, обработке и анализу данных.
Количество процедур тотальной эндопротезирования тазобедренного сустава (THA), выполненных взрослым в возрасте 45-64 лет, страдающим остеоартритом тазобедренного сустава (ОА), более чем удвоилось в период с 2000 по 2010год1. Основываясь на увеличении процедур THA с 2000 по 2014 год, недавнее исследование предсказало, что общее количество ежегодных процедур может утроиться в течение следующих двадцати лет2. Это значительное увеличение процедур THA вызывает тревогу, учитывая, что текущие затраты на лечение превышают 18 миллиардов долларов в год только в Соединенных Штатах3.
Дисплазия развития тазобедренного сустава (DDH) и бедренный синдром импинджмента (FAIS), которые описывают недостаточное или чрезмерное ограничение бедра, соответственно, считаются первичной этиологией тазобедренного сустава OA4. Высокая распространенность этих структурных деформаций тазобедренного сустава у лиц, подвергающихся ТХА, была первоначально описана более трех десятилетий назад5. Тем не менее, связь между аномальной анатомией тазобедренного сустава и остеоартритом не совсем понятна. Одна из проблем улучшения рабочего понимания роли деформаций в развитии ОА тазобедренного сустава заключается в том, что аномальная морфология тазобедренного сустава очень распространена среди бессимптомных взрослых. Примечательно, что исследования наблюдали морфологию, связанную с FAIS кулачкового типа, примерно у 35% населения в целом6,83% старших спортсменов7и более 95% университетских спортсменов-мужчин8. В другом исследовании женщин-спортсменок 60% участников имели рентгенографические доказательства CAM FAIS, а 30% имели доказательства DDH9.
Исследования, демонстрирующие высокую распространенность деформаций среди людей без боли в бедре, указывают на возможность того, что морфология, обычно связанная с FAIS и DDH, может быть естественным вариантом, который становится симптоматическим только при определенных условиях. Тем не менее, взаимодействие между анатомией тазобедренного сустава и биомеханией тазобедренного сустава не совсем понятно. Примечательно, что существуют известные трудности с измерением движения тазобедренного сустава с использованием традиционной технологии оптического захвата движения. Во-первых, сустав находится относительно глубоко внутри тела, так что расположение центра тазобедренного сустава трудно как идентифицировать, так и динамически отслеживать с помощью оптического захвата движения маркером кожи, с ошибками на том же порядке величины, что и радиус головки бедренной кости10,11. Во-вторых, тазобедренный сустав окружен большой массой мягких тканей, включая подкожно-жировую клетчатку и мышцы, которые движутся относительно подлежащей кости, в результате чего образовывался артефакт мягких тканей12,13,14. Наконец, используя оптическое отслеживание маркеров кожи, кинематика оценивается относительно обобщенной анатомии и, таким образом, не дает представления о том, как тонкие морфологические различия могут повлиять на биомеханику сустава.
Для решения проблемы отсутствия точной кинематики в сочетании с субъект-специфической морфологией кости были разработаны как одиночные, так и двойные системы рентгеноскопии для анализа других естественных суставных систем15,16,17. Тем не менее, эта технология только недавно была применена к родному тазобедренному суставу, вероятно, из-за трудностей с получением высококачественных изображений через мягкие ткани, окружающие бедро. Методология точного измерения in vivo движения тазобедренного сустава и отображения этого движения относительно предметно-специфической анатомии кости описана в настоящем документе. Полученная артрокинематика обеспечивает непревзойденную способность исследовать тонкое взаимодействие между морфологией кости и биомеханикой.
Здесь описаны процедуры получения и обработки двойных рентгеноскопических изображений тазобедренного сустава во время повседневной жизни. Из-за желания захватывать кинематику всего тела с оптическим маркерным отслеживанием одновременно с двойными рентгеноскопическими изображениями, протокол сбора данных требует координации между несколькими источниками данных. Калибровка двойной системы рентгеноскопии использует структуры из плексигласа, имплантированные металлическими шариками, которые могут быть непосредственно идентифицированы и отслежены как маркеры. Напротив, динамическое движение костей отслеживается с помощью безмаркерного отслеживания, которое использует только рентгенографическую плотность костей на основе КТ для определения ориентации. Динамическое движение затем отслеживается одновременно с помощью двойной рентгеноскопии и данных захвата движения, которые синхронизированы пространственно и временно.
Системы синхронизируются пространственно во время калибровки посредством одновременной визуализации куба как с отражающими маркерами, так и с имплантированными металлическими шариками и генерации общей системы координат. Системы синхронизируются во времени для каждого действия или захвата с помощью разделенного электронного триггера, который посылает сигнал для завершения записи двойных рентгеноскопических камер и прерывает постоянный вход 5 В в систему захвата движения. Этот скоординированный протокол позволяет количественно оценить положение сегментов тела, которые выходят за пределы комбинированного поля зрения двойной системы рентгеноскопии, экспрессию кинематических результатов относительно событий, нормализованных походкой, и характеристику деформации мягких тканей вокруг бедренной кости и таза.
Двойная рентгеноскопия является мощным инструментом для исследования in vivo кинематики, особенно для тазобедренного сустава, который трудно точно измерить с помощью традиционного оптического захвата движения. Однако рентгеноскопическое оборудование является специализированным…
The authors have nothing to disclose.
Это исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (NIH) под номерами грантов S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения 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 |